2784.Электроснабжение предприятий Верхнекамского калийного месторождени

1.Выполнение общих мероприятий по улучшению энергетических

идругих характеристик потребителей как на стадии проектирования обо­ рудования, так и при его замене во время эксплуатации.

2.Рациональное построение схем электроснабжения предприятия и размещения нелинейных нагрузок.

3.Применение на предприятиях тиристорных преобразователей и других нелинейных нагрузок с улучшенными энергетическими характе­ ристиками.

4.Координированное управление работой тиристорных электро­ приводов.

5.Применение технических средств компенсации реактивной мощ­ ности и высших гармоник.

6.Применение технических средств учёта и контроля потребляемой реактивной мощности и уровня высших гармоник.

Всё это проще всего осуществить на стадии проектирования и строительства новых промышленных предприятий, а на существующих предприятиях должна быть целенаправленная техническая политика в данном направлении. Она основывается на детальных проработках рас­ сматриваемых вопросов с участием компетентных организаций, наличии плана конкретных научно-обоснованных действий, работ и мероприятий,

атакже неукоснительном его выполнении.

Ксожалению, иногда на практике реальная картина складывается так, что сегодня возникла необходимость, например, замены привода Г-Д. мощностью в несколько тысяч киловатт тиристорным приводом, приняли решение и стали его осуществлять на практике без предварительных тех­ нических и экономических оценок, а завтра появились известные нега­ тивные проблемы, которые потребовали существенных материальных за­ трат. В настоящее время при проектировании мощных тиристорных электроприводов одновременно, как правило, рассматривается и, в случае необходимости, решается вопрос о применении индивидуальных фильт- ро-компенсирующих устройств.

Рассмотрим более подробно вышеперечисленные направления в решении проблем, связанных с применением нелинейных нагрузок.

При проектировании электроустановок с преобразователями целе­ сообразно ориентироваться на следующие подходы и технические реше­ ния:

1.В установках средней и большой мощности применять двенадцатипульсные тиристорные преобразователи постоянного тока. Это позво­ лит не только в два раз улучшить качество выпрямленного напряжения, но и избежать появления в первичном токе и напряжении питающей сети 5-й и 7-й гармоник.

2. Максимальное выпрямленное напряжение в тиристорных приво­ дах постоянного тока необходимо выбирать с запасом на регулирование не более 10-15 % от номинального напряжения двигателя. В противном случае преобразователь на самом продолжительном по времени участке движения с максимальной скоростью двигателя будет работать с боль­ шим значением угла отпирания тиристоров, а следовательно, со значи­ тельным потреблением реактивной мощности. Кроме того, несколько большее значение угла отпирания тиристоров будет и на начальном уча­ стке движения привода, а это значит, что более существенным будет тол­ чок реактивной мощности и заметнее падение напряжения в сети.

3.Применять в преобразовательных установках силовые трансфор­ маторы с меньшим значением напряжения короткого замыкания (при прочих равных условиях), т.к. у них индуктивные сопротивления вторич­ ных обмоток меньше, а следовательно, несколько меньше будет угол коммутации тиристоров и значение потребляемой реактивной мощности (коэффициент сдвига увеличится).

4.Применять тиристорные преобразователи, допускающие как можно меньшую асимметрию импульсов управления тиристорами, т.к. это приводит к ухудшению состава гармоник напряжения и тока, увели­ чению потребления реактивной мощности. Сегодня выпускаются преоб­

разователи с асимметрией импульсов управления от ± 1 до ± 3 эл. граду­ сов.

5.Не применять преобразовательные установки и тиристорные приводы там, где мощность короткого замыкания питающей сети SK.3. меньше, как минимум, десятикратного значения мощности нелинейной нагрузки.

6.При построении диаграмм движения приводов следует учиты­ вать, что чем больше ускорение на участке разгона привода, тем больше толчок реактивной мощности. Если увеличение времени разгона привода не приводит к снижению производительности установки, то, исходя из желания уменьшить посадку напряжения сети, время разгона привода до максимальной скорости следует увеличить. (Разгон будет происходить при меньших значениях тока двигателя и реактивной мощности). При этом уменьшатся и динамические нагрузки в механических частях при­ вода и увеличится его срок службы.

7.Нецелесообразно применение для электроустановок асинхрон­ ных двигателей завышенной мощности, т.к. это приводит к повышению потребления реактивной мощности и снижению к.п.д. привода. На про­ изводстве имеют место случаи, когда заменяют «родной» двигатель на двигатель большей мощности, считая что он будет надёжнее работать при ддстых пусках. Однако необходимо иметь в виду, что наряду с уве­ личением потребляемой реактивной мощности снижается и надёжность

6. Обоснование и при необходимости применение в сетях с много­ численными тиристорными преобразователями специальных высоко­ вольтных фазоповоротных трансформаторов.

Из всего многообразия существующих схем тиристорных преобра­ зователей с улучшенными энергетическими характеристиками практиче­ ский интерес, по нашему мнению, представляют следующие:

1.Схемы преобразователей с естественной коммутацией и повы­ шенной фазностью. Это многомостовые схемы, но прежде всего, двух­ мостовые двенадцатипульсные схемы.

2.Схемы преобразователей с естественной коммутацией и допол­ нительными фазными вентилями.

3.Преобразователи со ступенчатым изменением анодного напря­ жения и естественной коммутацией.

4.Схемы преобразователей с фазоповоротными трансформаторами

иестественной коммутацией.

5.Преобразователи с естественной коммутацией и усложнёнными законами управления тиристорами. Здесь, прежде всего, имеются ввиду варианты поочерёдного и несимметричного управления тиристорами.

6.Схемы преобразователей с искусственной коммутацией тиристо­

ров.

Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения содержания высших гармоник в кривых первичного тока пре­ образователей и в напряжении сети. Это возможно путём создания экви­ валентного многофазного режима для группы вентильных агрегатов при сохранении для каждого из них шестифазного режима выпрямления. На­ пример, 12-фазный эквивалентный режим для двухмостового преобразо­ вателя может быть реализован путём соединения одной из обмоток пре­

образовательного трансформатора в треугольник, а другой в звезду (рис. 12.11 ). В результате в первичных обмотках трансформаторов обоих агрегатов присутствуют гармоники порядков n= 6k ± 1, но в питающую сеть проходят только гармоники n=12k ±1 порядка, а остальные гармо­ ники тока циркулируют между первичными обмотками трансформато­ ров. Условный многофазный режим эквивалентен безусловному лишь по воздействию на питающую сеть. Уменьшение содержания высших гар­ моник - большое достоинство таких преобразователей, однако с умень­ шением выпрямленного у них практически пропорционально снижается и коэффициент мощности. Таким образом, необходимо учитывать, что проблема снижения потребления реактивной мощности здесь не решает­ ся.

Преобразователи со ступенчатым регулированием анодного напря­ жения, а также с дополнительными фазными вентилями требуют наличия силового трансформатора с отводами обмоток. Кроме того, при ступен­

чатом регулировании вторичного фазного напряжения требуются надёж­ ные коммутирующие бесконтактные ключи. Вероятнее всего схемы со ступенчатым регулированием считаются ненадёжными и поэтому отече­ ственная промышленность их не выпускает, хотя применение этих схем в ряде случаев могло бы в заметной мере снизить потребление реактивной мощности. Например, в случае использования их в качестве тиристорных возбудителей подъёмных двигателей приводов по системе Г-Д, когда изза наличия форсированного режима при номинальном и ослабленном то­ ках возбуждения преобразователь вынужден работать с большими угла­ ми отпирания тиристоров и низкими значениями коэффициента мощно­ сти. Применение схем с дополнительными фазными вентилями требует наличия не только этих вентилей, но и усложнения системы импульсно­ фазового управления. Бесконтактные ключи здесь отсутствуют и по этой причине, на наш взгляд, ограничений для применения данных схем в ка­ честве тиристорных возбудителей электрических машин нет.

За рубежом для мощных преобразователей (подстанций с большим числом вентильных агрегатов) применяют эквивалентные многофазные режимы с числом фаз выпрямления, значительно превышающим 12 при 12-фазном выпрямлении каждого агрегата. Такие режимы осуществляют как за счёт использования указанного выше соединения обмоток для по­ лучения эквивалентного 12-фазного режима выпрямления, так и за счёт дополнительного сдвига токов одноименных фаз различных агрегатов с помощью специальных фазоповоротных трансформаторов, включённых перед анодными трансформаторами, или соединением в зигзаг обмоток регулировочных трансформаторов, включенных также перед анодным трансформатором. В результате этого векторы фазных напряжений всех N агрегатов подстанции образуют симметричную звезду с числом лучей, равным 6N, и сдвигом между векторами напряжения на угол 360°/6N; вся выпрямительная установка в целом в этом случае работает при 6Nфазном эквивалентном режиме.

Наличие в приводах двухмостового преобразователя позволяет применить поочерёдное или несимметричное управление тиристорами. Вариант поочерёдного управления проще и по этой причине чаще встре­ чается. Оба способа относятся к усложнённым законам управления, когда при работе преобразователя углы отпирания тиристоров не остаются по­ стоянными, а меняются в определённой закономерности. Здесь идея по­ вышения коэффициента мощности заключается в том, что часть тиристо­ ров схемы преобразователя определённое время работает с минимальным углом отпирания, а другая часть регулируется. В результате образуется как бы две составляющие схемы одного преобразователя, первая из кото­ рых не потребляет из сети реактивной мощности, а вторая - потребляет. В сумме общее потребление реактивной мощности такого преобразователя

снижается в среднем на 30 %, т.к. при одновременном управлении тири­ сторов обе составляющие схемы потребляли бы реактивную мощность. Следует отметить, что за рубежом в мощных проводах постоянного тока вариант поочерёдного управления тиристорами двухмостовых преобра­ зователей встречается сравнительно часто. Причём он реализуется доста­ точно просто и не требует больших материальных затрат.

На БКЗ-4 в г. Березники на вентиляторной установке главного про­ ветривания эксплуатируется уникальный привод мощностью 6300 кВт, выполненный по схеме асинхронно-вентильного каскада, где инвертор имеет шестипульсную двухмостовую схему, аналогичную показанной на р. 12.11 (там показана двенадцатипульсная, т.к. один из трансформаторов имеет схему соединения обмоток «звезда-треугольник»). Применение в данном приводе двенадцатипульсного режима и поочерёдного управле­ ния не повлекло бы заметного изменения схемы и затрат, но существенно улучшило энергетические характеристики привода. Данный вопрос мог быть решён по желанию заказчика ещё на стадии проектирования приво­ да.

Как показывает зарубежный опыт, применение двухмостовых двенадцатипульсных преобразователей с поочерёдным управлением выгод­ но и на шахтных подъёмных установках с приводом по системе «Тиристорный преобразователь-двигатель».

Тиристорные преобразователи постоянного тока с искусственной коммутацией обладают высоким коэффициентом мощности во всём диа­ пазоне регулирования выходного напряжения, т.к. коэффициент сдвига у них может оставаться постоянно близким или равным единице. Кроме этого, такие преобразователи могут не только потреблять, но и генериро­ вать реактивную мощность в сеть. Однако, во-первых, наличие искусст­ венного закрывания тиристоров за счёт коммутирующих конденсаторов не позволяет строить эти преобразователи на мощности свыше 1000 кВт, а, во-вторых, в настоящее время в нашей стране преобразователи посто­ янного тока с искусственной коммутацией пока не выпускаются. Вместе с тем это направление отмечается как перспективное, т.к. с появлением возможности надёжной искусственной коммутации вентилей идеи, зало­ женные в принципах работы таких преобразователей, будут востребова­ ны.

Применением одних только схем тиристорных преобразователей с улучшенными энергетическими характеристиками не решить проблемы снижения потребления реактивной мощности и улучшения качества пи­ тающего напряжения нд калийных предприятиях. Но как одно из направ­ лений в комплексном подходе к решению этих задач вполне приемлемо и осуществимо.

Координированное управление работой тиристорных электропри­ водов целесообразно применять в тех случаях, когда питающая сеть име­ ет небольшую мощность короткого замыкания или сильно загружена.

Суть координированного управления заключается в том, что за­ прещается одновременный пуск двух или более мощных тиристорных электроприводов, например, шахтных подъёмных установок, запитанных от одной сети, до тех пор, пока работающий привод не разгонится до ус­ тановившейся скорости. Таким способом исключается возможность сов­ падения по времени двух или более толчков потребляемой из сети реак­ тивной мощности, которые возникают у каждого из приводов на участке разгона, когда ток в якорной цепи двигателя большой, а углы отпирания тиристоров имеют значения, близкие к 90 электрическим градусам.

Координированное управление работой тиристорных электропри­ водов шахтных подъёмных установок несколько снижает их производи­ тельность, однако обеспечивает возможность одновременной работы от одной питающей сети ограниченной мощности. Задержка по времени пуска приводов может быть уменьшена при формировании сигналов управления не по скорости, а непосредственно по величине реактивной мощности.

Эффективным способом решения проблем, связанных с уменьше­ нием потребления нелинейными нагрузками реактивной мощности и ге­ нерации ими в сеть высших гармоник, является применение быстродей­ ствующих фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ).

ФКУ - это многофункциональные плавно регулируемые статические установки, наиболее полно удовлетворяющие требованиям многофактор­ ного воздействия на сеть с регулируемыми тиристорными электроприво­ дами.

В состав ФКУ входят параллельно включенные резонансные це­ почки фильтров высших гармонических составляющих (РЦФ), неуправ­ ляемый источник реактивной мощности (КБ) и тиристорно-реакторная группа (ТРГ) - регулятор реактивной мощности.

Исключительно важное значение для практики имеют вопросы правильности выбора способа компенсации: индивидуальной и группо­ вой, а также размещения фильтро-компенсирующих устройств в системе электроснабжения. Они рассматриваются в следующих параграфах.

Заметную роль в решении рассматриваемых проблем играют во­ просы организации контроля качества напряжения сети и учёта электри­ ческой энергии. Они позволяют отслеживать складывающуюся ситуацию на предприятии и оперативно вмешиваться в происходящие процессы с целью их коррекции. Практика показывает, что в настоящее время на промышленных предприятиях, в том числе на СКПРУ-3, хорошо себя за­ рекомендовал комплекс технических средств КТО «Энергия».

Технические средства КТС «Энергия» ПО «Старт» позволяют по­ строить автоматизированную систему коммерческого и технического учёта и контроля за потреблением энергоресурсов (в том числе и реак­ тивной мощности) любого предприятия промышленности (в том числе и горной) и энергетики. Программные средства комплекса приспособлены как для работы оперативного персонала, так и для углублённого анализа энергопотребления с целью принятия решений по его оптимизации.

Основные показатели качества напряжения питающей сети наи­ лучшим образом могут контролироваться с помощью аппаратуры «Качество». Принцип работы этой аппаратуры основан на записи и про­ цессе обработки с помощью компьютерной программы осциллограмм напряжения сети с представлением полной информации о качестве этого напряжения, его спектральном составе и т.д.

На шинах ГПП и всех подстанциях предприятия, имеющих источ­ ники высших гармоник, рекомендуется производить периодический и эпизодический контроль уровней высших гармоник. Периодический кон­ троль должен производиться не менее 2 раз в год для характерных экс­ плуатационных режимов системы электроснабжения, а также для режи­ мов, соответствующих максимальным нагрузкам источников высших гармоник. Эпизодический контроль несинусоидальности напряжения и уровней отдельных гармоник следует производить при подключении но­ вых приемников электроэнергии, являющихся источниками высших гар­ моник, и изменениях в существующей системе электроснабжения, на­ пример, при подключении батарей конденсаторов [3 1 ].

При постановке задачи контроля несинусоидальности напряжения следует ориентироваться на комбинацию различных средств измерения. При отсутствии возможности приобретения аппаратуры «Качество», а также априорной информации о несинусоидальности напряжения и вре­ мени её наибольшего проявления измерение целесообразно производить с помощью простых регистрирующих средств (приборов типа АН-1), за­ тем при выявлении существенной несинусоидальности производить до­ полнительный анализ кривых напряжений и токов более сложными при­ борами.

Анализаторы несинусоидальности типа АН-1 позволяют опреде­ лить не только коэффициент несинусоидальности напряжения, но и ам­ плитуды 2, 3, 5, 7, 9, 11 и 13-й гармоник напряжения.

Следует отметить, что измерители гармоник и анализаторы спектра СЧ-48, СЧ-12, СКЧ-3, АСЧХ-1 и С6-1А относятся к классу радиоизмерительных и не отвечают требованиям, предъявляемым к приборам для из­ мерений в электрических сетях.

Взаключение ещё раз подчеркнём, что только комплексный подход

крешению рассматриваемых проблем даёт наибольший эффект в повы­

шении качества напряжения питающей сети и снижении потерь электро­ энергии.

12.5. Средства компенсации реактивной мощности и высших гармоник для сетей с тиристорными электроприводами

В качестве средств компенсации реактивной мощности (КРМ) для сетей электроснабжения калийных предприятий с такими нелинейными нагрузками как тиристорные электропривода применяется три вида ком­ пенсирующих устройств: конденсаторные батареи (КБ); реактированные конденсаторные батареи (РКБ) и фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ).

Информация о применяемых КБ и РКБ была приведена в главе 11, поэтому здесь рассмотрим только ФКУ. Как отмечалось ранее, ФКУ включает в себя резонансные цепочки фильтров (РЦФ), конденсаторную батарею (КБ) и тиристорную реакторную группу (ТРГ).

Наиболее распространённый вариант схемы ФКУ показан на рис. 12.12 Встречно параллельно включенные тиристорные регуляторы на­ пряжения, соединённые последовательно с реакторами, включены по схеме "треугольник", благодаря чему кратные третьей гармоники тока, возникающие при коммутации тиристоров, не выходят за пределы сило­ вой схемы ТРГ. Суммарное содержание высших гармоник в токе ТРГ не превышает 5 % от первой гармоники, причём спектр их (v= 5, 7, 11, 13,

....) аналогичен спектру 6-пульсного выпрямителя и потому эффективно фильтруется РЦФ, входящими в состав ФКУ.

Фазовое управление тиристорами ТРГ приводит к плавному изме­ нению первой гармоники тока (индуктивного характера), потребляемого ТРГ от Отрг= 0 при закрытых вентилях ( а Трг= 180°) до Qxpr= QTPT номпри открытых вентилях («трг = 90°). Высокое быстродействие (около 40 мс) ТРГ позволяет обеспечивать эффективную динамическую компенсацию графиков реактивной нагрузки тиристорных электроприводов постоянно­ го тока (фронты изменения мощности длительностью 100-300 мс).

При мощности ТРГ, равной мощности генерируемой фильтро­ конденсаторной частью (Qjpr = Q<JI+QKB)> ФКУ управляется в полном диа­ пазоне мощности РЦФ и КБ. В частично управляемом ФКУ мощность, потребляемая ТРГ , выбирается меньше мощности, генерируемой кон­ денсаторной частью установки. Диапазон регулирования ФКУ определя­ ется переменной и постоянной составляющими графика реактивной мощности вентильной (тиристорной) нагрузки.

Суммарная реактивная мощность ФКУ с учётом управляемости оп­ ределяется выражением

( 12. 1)

где а - угол отпирания тиристоров, отсчитываемый от начала синусоиды напряжения питающей сети;

11ф - действующее значение фазного напряжения сети;

Хс и X - индуктивные сопротивления, соответственно, реактора, ёмкостей.

Из приведённого выражения видно, что при полном открывании тиристоров (ТРГ) а = 0 суммарная реактивная мощность ФКУ определя­ ется разностью между мощностью, генерируемой конденсаторами КБ, а также РЦФ и мощностью, потребляемой реакторами ТРГ. По мере закры­ вания тиристоров ТРГ мощность, потребляемая реакторами, уменьшается и при полном закрывании мощность, генерируемая ФКУ, становится равной мощности КБ и РЦФ.

В ряде случаев в соответствии с характером графика реактивной нагрузки потребителя нет необходимости в применении ФКУ с полным диапазоном регулирования по мощности.

Количество параллельно включенных резонансных цепей фильтров РЦФ должно быть таким, чтобы коэффициент несинусоидальности на­ пряжения не превышал допустимого значения по ГОСТ 13109-87, т.е. Кнс < 5 %.

Схема подключения резонансных цепочек фильтров (РЦФ) высших гармоник в электрической сети (Ф5, Ф7, Ф11, Ф13) представлена на рис. 12.12. Каждая из РЦФ представляет собой контур из последовательно соединённых индуктивности и емкости, настроенный на частоту опреде­ лённой гармоники. Идеальный фильтр полностью потребляет ток гармо­ ники Iv, генерируемой нелинейными элементами.

Номер резонансной гармоники п , на которую настраивается фильтр, определяют из выражения

где хс, х( - сопротивления ёмкости (батареи конденсаторов) и индуктив­ ности (реактора) току промышленной частоты.

Наличие активных сопротивлений в реакторе и конденсаторе и не­ точная их настройка приводят к неполной фильтрации гармоник.

Фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых на­ строено на резонанс для определённой гармоники. Количество звеньев в фильтре обычно равно двум или четырём. Каждое звено настраивают на частоты 5, 7, 11 и 13-й гармоник. Фильтры присоединяют как в местах