Повышение эффективности функционирования релейной защиты и автоматики с целью обеспечения устойчивости нагрузки предприятий непрерывного производства

Обеспечение устойчивости работы отдельных и объединенных энергосистем, а также ЕЭС России в целом в определяющей мере связано с функционированием релейной защиты и автоматики (РЗА), предназначенными осуществлять быструю и селективную автоматическую ликвидацию повреждений и аварийных режимов в электрической части энергосистем.

Актуальность темы

исследования обусловлена значительным уровнем технико-экономических и экологических ущербов на предприятиях непрерывного производства из-за провалов напряжения. К таким предприятиям относятся нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), газодобывающие и перерабатывающие комбинаты, сталеплавильные и металлообрабатывающие производства и другие предприятия и организации, относящиеся к особой группе по требованиям безопасности при нарушениях электроснабжения.

Основной причиной нарушения устойчивости технологических установок (ТУ) являются провалы напряжения при действии РЗА после КЗ во внутренней и внешней частях системы электроснабжения (СЭС), поэтому на многих предприятиях разворачиваются работы по техперевооружению (ТПР). Обоснованные рекомендации должны повысить технико-экономическую эффективность принимаемых решений.

Существует много способов повышения устойчивости работы ТУ. Возникает актуальный вопрос — как выбрать необходимую и достаточную комбинацию мероприятий по изменению структуры и параметров РЗА, которая обеспечит устойчивость ТУ и минимизирует затраты?

Критерием необходимости и достаточности является совместимость свойств и характеристик СЭС и ТУ. Совместимость может проверяться по многим показателям качества электрической энергии, однако применительно к устойчивости ТУ предприятий непрерывного производства определяющую роль играют провалы питающего напряжения.

Целью работы является разработка мероприятий по обеспечению устойчивости нагрузки предприятий непрерывного производства на основе повышения эффективности функционирования релейной защиты и автоматики.

Для достижения поставленной цели решен следующий комплекс задач: 1). Анализ эффективности функционирования РЗА предприятий непрерывного производства по критерию устойчивости ТУ и обоснование дополнительного отраслевого признака эффективности РЗА.

2). Исследование и разработка методики определения границ зон устойчивости технологической установки предприятий непрерывного производства при различных временных уставках РЗА.

3). Исследование и разработка методики прогнозирования параметров потока провалов в системе электроснабжения предприятий непрерывного производства.

4). Разработка мероприятий по повышению эффективности функционирования РЗА с целью обеспечения устойчивости ТУ предприятий непрерывного производства.

Объектом исследования является устойчивость функционирования технологических установок предприятий непрерывного производства при провалах напряжения электропитания в результате коротких замыканий и последующего действия РЗА.

Предметом исследования является повышение эффективности функционирования устройств РЗА с целью обеспечения устойчивости технологических установок предприятий непрерывного производства в условиях потока провалов питающего напряжения.

Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория электромеханических переходных процессов в электроэнергетических системах, методы математического и физического моделирования, экспериментальные исследования на физических и цифровых моделях и в условиях реальных энергообъектов. Для решения задачи с помощью обработки результатов математического моделирования рассмотрены события и явления в системе электроснабжения. С использованием критериев электромагнитной совместимости разработан комплекс технических мероприятий по техническому перевооружению и реконструкции внешней и внутренней системы электроснабжения, ее системы релейной защиты и автоматики и электропривода ТУ предприятий непрерывного производства.

Общая идея исследования базируется на обеспечении электромагнитной и электромеханической совместимости динамических характеристик системы электроснабжения и характеристик электроприводов ТУ предприятий непрерывного производства при провалах напряжения, обусловленных потоком КЗ и последующим действием РЗА.

Совместимость характеристик должна быть обеспечена в условиях переходных процессов при коротких замыканиях в системе электроснабжения с подключенными электроприемниками.

Одним из показателей качества электроэнергии является провал напряжения — внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% ин0м) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения. {.

Причин провалов напряжения несколько. В данной работе рассматривается поток провалов питающего напряжения, обусловленный потоком коротких замыканий с последующим действием РЗА.

В результате появляется возможность разработать мероприятия программы техперевооружения по изменению параметров и структуры РЗА с наибольшим технико-экономическим эффектом, что является реализацией удовлетворения потребностей при экономических обоснованиях решений по РЗА.

Научная новизна и значимость полученных результатов:

1. Установлено, что дополнительным отраслевым критерием эффективности РЗА предприятий непрерывного производства является требование обеспечения совместимости характеристик СЭС и ее РЗА с характеристиками ТУ по признаку устойчивости технологических процессов при потоке провалов напряжения.

2. Разработана методика определения границ зон устойчивости по каждой группе электроприемников ТУ применительно к предприятию непрерывного производства при различных временных уставках РЗА, сущность которой заключается в том, что: а) Характеристикой ТУ является граница зоны ее устойчивости при провалах напряжения.

— для основного электропривода, ответственной вспомогательной нагрузки и системы управления по границе между зонами В и С (восстановление нормальной работы без участия персонала),.

— для остальной нагрузки ТУмежду зонами С и Б (восстановление при участии персонала без ремонта). б) Искомые границы зоны устойчивости находятся:

— для основного электропривода и ответственной вспомогательной двигательной нагрузки путем обработки результатов мониторинга, а также путем обработки результатов математического моделирования.

— для системы управления ТУ методом лабораторных экспериментов, мониторинга и расчетов. в) Результирующая граница зоны устойчивости ТУ находится по правилу «ИЛИ» зон устойчивости частей ТУ.

3. Разработана методика прогнозирования параметров потока провалов питающего напряжения применительно к предприятию непрерывного производства. Методика учитывает данные о потоке КЗ во внешней и внутренней частях СЭС и динамические свойства электроприемников ТУ, а также структуру и параметры системы РЗА. а) Установлено, что характеристикой СЭС для проверки ее совместимости с характеристиками ТУ является статистический прогноз параметров потока провалов напряжения. б) При проверке совместимости характеристик ТУ и прогнозе параметров потока провалов удается выявить неблагоприятные сочетания, при которых возможны нарушения устойчивости ТУ.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные методики позволяют количественно оценивать эффективность мероприятий по изменению структуры и параметров РЗА СЭС предприятий непрерывного производства путем сопоставления границ зон устойчивости нагрузок ТУ и значений параметров потока провалов питающего напряжения.

2. С помощью разработанных методик возможно ранжировать очередность мероприятий по ТПР структуры и параметров РЗА, которые позволяют обеспечить устойчивость ТУ и минимизировать затраты.

3. Установлено, что доминирующей причиной неустойчивости ТУ является неустойчивость ее системы управления.

Для обеспечения устойчивости ТУ следует обеспечить координацию границы зоны удержания магнитных пускателей (МП). Для достижения практической цели значительного повышения устойчивости МП к провалам напряжения следует обеспечить расположение их границы между зонами удержания-отпадания на уровне U0CT = 0- tnp = 3.10 секунд с возможностью регулировки.

4. Рекомендуется применить опережающее деление сети на п/ст 220/110 кВ во внешней части СЭС.

5. Снижена глубина и длительность провалов напряжения на предприятиях нефтепереработки за счет повышения эффективности функционирования РЗ, что позволило обеспечить устойчивость ТУ.

Предлагается секционные выключатели оборудовать дополнительной РЗА опережающего деления I и II СШ без выдержки времени на срабатывание. Последующее повторное включение осуществляется автоматически с выдержкой времени около 5 с с контролем условий синхронизма. Уставки этой.

РЗА определяются при проектировании. Повторное включение может осуществляться вручную.

РЗА опережающего деления I и II СШ 110 кВ может выводиться из действия в ремонтных и аварийных режимах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований эффективности функционирования РЗА по критерию устойчивости ТУ и обоснование дополнительного признака эффективности функционирования РЗА предприятий непрерывного производства при провалах напряжения.

2. Предложенная методика определения границ зон устойчивости технологических установок при различных временных уставках РЗА при провалах напряжения во внешней и внутренней частях СЭС.

3. Предложенная методика прогнозирования параметров потока провалов в системе электроснабжения предприятий непрерывного производства.

4. Методы и средства решения задачи повышения эффективности РЗА с целью обеспечения устойчивости технологических установок предприятий непрерывного производства при действии РЗА в следствии потока КЗ.

В первой главе производится анализ известных публикаций, нормативно-технической документации (ПУЭ, ПУ, отраслевые инструкции), проектных решений и опыта эксплуатации СЭС НПЗ и обосновывается дополнительный отраслевой критерий эффективности РЗА применительно к предприятиям непрерывного производства с позиции требования обеспечения совместимости характеристик СЭС и ее РЗА с характеристиками ТУ.

Во второй главе разрабатывается методика определения количественных значений характеристик ТУ и ее электропривода в форме границ зон устойчивости ТУ при различных временных уставках РЗА. Методика предусматривает логическую обработку зон неустойчивости каждой из частей ТУ по правилу дизъюнкции, при этом граница зоны неустойчивости находится путем обработки результатов математического моделирования.

В третьей главе производится разработка методики прогнозирования параметра потока провалов напряжения, порождаемого свойствами СЭС и ее РЗА. Особенностью методики, разрабатываемой в диссертации, является учет возможного изменения длительности и глубины провала при выбеге и запуске мощной двигательной нагрузки для различных сечений СЭС.

В четвертой главе рассматривается разработка технических предложений и рекомендаций по изменению структуры и параметров РЗА для повышения эффективности функционирования РЗА и замене электрооборудования подстанций с целью расширения зоны устойчивости ТУ.

В заключении приведены основные научные и практические результаты, представляющие законченную работу, решающие актуальную научно-техническую задачу повышения эффективности функционирования РЗА с целью обеспечения устойчивости нагрузки предприятий непрерывного производства.

4.24. Выводы.

1) В реальных условиях функционирования систем внешнего электроснабжения промышленных предприятий часто фактически не выполняются требования ПУЭ о независимости источников питания. В результате этого имеют место нарушения бесперебойности электроснабжения потребителей с непрерывными технологическими процессами.

2) Решение проблемы устойчивости потребителей к провалам напряжения может быть только комплексным, т. е. требующим проведения противоаварийных мероприятий как в энергосистеме, так и на промышленном предприятии.

3) Разработанные методики позволяют количественно оценивать эффективность мероприятий по изменению структуры и параметров РЗА предприятий непрерывного производства, что достигается путем сопоставления границ зон устойчивости нагрузок ТУ и значений параметров потока провалов питающего напряжения.

4) Полученные количественные характеристики позволяют не только получать качественную оценку, но и ранжировать очередность мероприятий техперевооружения и реконструкции систем РЗА, и при этом обеспечивать устойчивость технологических установок и минимизировать затраты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования показали, что в реальных условиях функционирования систем внешнего электроснабжения промышленных предприятий часто фактически не выполняются требования ПУЭ о независимости источников питания. В результате этого имеют место нарушения бесперебойности электроснабжения потребителей с непрерывными технологическими процессами Несмотря на соблюдение всех общетехнических требований к эффективности функционирования РЗА (селективности, быстродействия, чувствительности, надежности) на предприятиях непрерывного производства часто возникают нарушения устойчивости технологических установок при потоке провалов напряжения.

Решение проблемы устойчивости потребителей к провалам напряжения может быть только комплексным, т. е. требующим проведения противоаварийных мероприятий как в энергосистеме, так и на промышленном предприятии.

Достоверность предложенных в работе решений подтверждается испытаниями на системы электроснабжения и технологических установок, а также опытом эксплуатации-на нефтеперерабатывающем заводе в г. Сызрань, Самарской обл.

Обобщающие результаты работы состоят в следующем:

1. Установлено, что дополнительным отраслевым критерием эффективности РЗА предприятий непрерывного производства является требование обеспечения совместимости характеристик системы электроснабжения и ее РЗА с характеристиками технологических установок по признаку устойчивости технологических процессов при потоке провалов напряжения.

2. Разработана методика определения границ зон устойчивости по каждой группе электроприемников технологических установок при различных временных уставках РЗА.

3. Разработана методика прогнозирования параметров потока провалов питающего напряжения: а) Установлено, что характеристикой системы электроснабжения для проверки ее совместимости с характеристиками технологических установок является прогноз параметров потока провалов напряжения. б) При проверке совместимости характеристик ТУ и прогнозе параметров потока провалов удается выявить неблагоприятные сочетания, при которых возможны нарушения устойчивости технологических установок.

4. Разработанные методики позволяют количественно оценивать эффективность мероприятий по повышению эффективности функционирования РЗА системы электроснабжения предприятий непрерывного производства.

5. Разработанные методики создают возможность ранжировать очередность мероприятий по техперевооружению и реконструкции структуры и параметров РЗА, которые позволяют обеспечить устойчивость технологических установок и минимизировать затраты.

6. Установлено, что доминирующей причиной неустойчивости технологических установок является неустойчивость ее системы управления.

7. Рекомендуется применить опережающее деление сети на п/ст 220/110 кВ во внешней части системы электроснабжения.

Предлагается секционные выключатели оборудовать дополнительной РЗА опережающего деления I и II СШ без выдержки времени на срабатывание. Последующее повторное включение осуществляется автоматически с выдержкой времени около 5с с контролем условий синхронизма. Уставки этой РЗА определяются при проектировании. Повторное включение может осуществляться вручную.

РЗА опережающего деления I и II СШ 110 кВ может выводиться из действия в ремонтных и аварийных режимах.

8. Снижена глубина и длительность провалов напряжения на предприятии нефтепереработки за счет изменения параметров и структуры РЗА, что позволило обеспечить устойчивость технологических установок.