Текст книги "Надежность систем электроснабжения промышленных предприятий"

Игорь Белицын, Василий Сташко
Надежность систем электроснабжения промышленных предприятий: учебно-методическое пособие для студентов специальности 13.03.02 – «Электроснабжение»

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И. И. ПОЛЗУНОВА»

ООО «МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ЭЛЕКТРОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ»

Учебно-методическое пособие для студентов специальности 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника»

Рецензенты: Багаев А. А. – д.т. н, профессор (АГАУ);

Старухин Р. С. – к.т.н., главный специалист

отдела технологического развития,

инноваций и энергосбережения (филиал ПАО «Россети Сибирь» – «Алтайэнерго»).

Утверждено на заседании

Методической школы им. О. И. Хомутова

Протокол № 1 от 14 мая 2021 г.

Издание сертифицировано (№ 21004) и рекомендовано к использованию «Межрегиональным центром электронных образовательных ресурсов» – http://mceor.ru/

© И. В. Белицын, В. И. Сташко, 2021

© ООО «МЦ ЭОР», 2021

1. Общие сведения о системах электроснабжения промышленных предприятий

1.1 Требования, предъявляемые к системам электроснабжения

Современная система электроснабжения промышленного предприятия должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– экономичности;

– надежности;

– безопасности;

– удобства эксплуатации;

– обеспечения надлежащего качества электроэнергии (уровней напряжения, стабильности частоты и т. п.);

– необходимой гибкости, обеспечивающей возможность расширения при развитии предприятия.

Важные дополнительные требования к системам электроснабжения предъявляют:

– электроприемники с резкопеременной циклически повторяющейся ударной нагрузкой;

– электроприемники непрерывного производства, требующие бесперебойности питания при всех режимах системы электроснабжения.

Специальные требования к системам электроснабжения и электрооборудованию предъявляют электроустановки, расположенные в зонах с загрязненной средой и в районах Крайнего Севера.

При реконструкции и проектировании системы электроснабжения учитывают многочисленные факторы, к числу которых относятся:

– потребляемая мощность;

– категория надежности питания отдельных электроприемников;

– графики нагрузок крупных потребителей;

– характер нагрузок;

– размещение электрических нагрузок на генеральном плане предприятия;

– число и мощность подстанций и других пунктов потребления электроэнергии;

– напряжение потребителей;

– число, расположение, мощность, напряжение и другие параметры источников питания;

– требования энергетической системы;

– учет совместного питания с другими потребителями;

– требования аварийного и послеаварийного режимов;

степень загрязненности среды;

требования ограничения токов КЗ;

– условия выполнения простой и надежной релейной защиты, автоматики и телемеханики и др.

Определяющими факторами, тесно связанными между собой, являются: характеристика источников питания, а также мощность и категорийность потребителей электроэнергии. При построении рациональной системы электроснабжения учитывают общую энергетику рассматриваемого района, перспективный план его электрификации.

При этом главные понижающие подстанции (ГПП) на крупных предприятиях могут в некоторых случаях выполнять функции районных подстанций. Целесообразно с точки зрения экономии строить единую энергетическую сеть района, включая тяговые сети.

При реконструкции действующих и проектировании новых систем электроснабжения различных промышленных предприятий района стремятся к максимальной унификации схемных и конструкторских решений электрической части, электрооборудования и канализации электроэнергии. Подсобные устройства такие как трансформаторно-масляное хозяйство, электроремонтное хозяйство, диспетчерская связь и другие, а также крупное резервное электрооборудование выполняют общими для всех этих предприятий.

При реконструкции действующих и проектировании новых систем электроснабжения целесообразно проводить принцип «децентрализации» трансформирования и коммутации электроэнергии, благодаря чему:

– источники высшего напряжения (ВН) максимально приближаются к электроустановкам потребителей;

– сводятся к минимуму сетевые звенья и ступени промежуточной трансформации и коммутации;

– уменьшаются потери электроэнергии;

– повышается в целом надежность электроснабжения.

Практика эксплуатации, а также опыт, накопленный при реконструкции и проектировании систем электроснабжения, позволили на основе обобщения этих данных выработать критерии в виде нормативных требований обеспечения надежности электроснабжения электроприемников, которые сформулированы в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ).

Согласно ПУЭ все электроприемники (таблица 1)подразделяют на три категории с выделением в I категории особой группы электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы для жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

К электроприемникам I категории относятся те, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов коммунального хозяйства.

К электроприемникам II категории относятся те, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

К электроприемникам III категории относятся все остальные, не попадающие под определение I и II категорий.

Таблица 1

Виды потребителей и их категория надежности

Для электроприемников I категории перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резерва (АВР), т. е. на доли секунды; для особых непрерывных производств предусматривается технологическое резервирование или специальные устройства безаварийного останова технологического процесса, действующие при нарушении электроснабжения. Для электроприемников II категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады (десятки минут, единицы часов).

Для электроприемников III категории допустимы перерывы до 1 сут. Частота перерывов в явном виде ни для одной категории приемников не нормируется. Реальные узлы нагрузки систем электроснабжения содержат от единиц до десятков тысяч электроприемников, поэтому имеет место множество решений по обеспечению норм ПУЭ.

Выбор схем питания и распределения электроэнергии, напряжения и конфигурации питающих и распределительных сетей до и выше 1 кВ, числа, мощности, месторасположения и типа подстанций решается комплексно с выполнением в необходимых случаях технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам. При этом учитывается очень важное условие, а именно: обязательная координация уровней надежности составных звеньев системы электроснабжения таким образом, чтобы надежность повышалась при переходе от потребителей электроэнергии к источникам питания по мере увеличения мощности соответствующих звеньев системы.

Однако надежное питание электроприемников I и основных нагрузок II категории обеспечивают независимо от их места в системе электроснабжения и мощности.

Выбор рациональной системы напряжений для электроснабжения промышленного предприятия определяет режим нейтрали сети, которая может быть:

– изолирована от земли;

– соединена с землей через активные или реактивные сопротивления;

– глухо заземлена.

В первом случае (U_HOM= 6, 10, 20, 35 кВ) при нарушении изоляции одной фазы в какой-либо точке сети может возникнуть однофазное замыкание на землю. Напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжение остальных фаз относительно земли повысится до междуфазного напряжения. Ток замыкания на землю /₃ по сравнению с нагрузочным током сети или ее отдельных линий относительно мал. Замыкание на землю при указанных выше напряжениях практически не влияет на режим работы приемников и считается не аварийным, а лишь анормальным режимом. В этих случаях питание потребителей не прерывается. Из всех видов нарушения изоляции однофазные замыкания на землю в системах с изолированной нейтралью составляют обычно 75–85 %; сам факт замыкания существенно влияет на обеспечение требуемой надежности питания потребителей.

В сетях с изолированной нейтралью необходимо обращать внимание на следующее:

1) повышение напряжения двух фаз относительно земли при замыкании на землю третьей фазы приводит к необходимости рассчитывать изоляцию всех фаз относительно земли не на фазное, а на междуфазное (линейное) напряжение;

2) возможность образования в месте замыкания на землю перемежающейся дуги обусловливает возникновение коммутационных перенапряжений с амплитудой (4–6) U_ном, которые могут привести к пробою изоляции в других местах и других фазах сети, а также к нарушению работы некоторых приемников;

3) тепловое действие дуги в месте замыкания на землю на изоляцию других фаз сети может привести к переходу замыкания на землю в двух– или трехфазное КЗ.

Время, за которое требуется отыскать и отключить возникающее в сети замыкание на землю, обычно принимают равным 2 ч. Ток I_з не должен превышать 30 А для сетей 6 кВ и 20 А для сетей 10 кВ. Если I_з превышает допустимые значения, то нейтраль источника питания сети соединяют с землей через заземляющий реактор, благодаря которому ток I_з, имеющий емкостной характер, компенсируется индуктивным током; дуга становится неустойчивой и быстро гаснет. Для ограничения тока I_з может применяться заземление нейтрали через активное сопротивление.

При глухом заземлении нейтрали (U_ном > 110 кВ) замыкание одной фазы на землю является однофазным КЗ и должно приводить к срабатыванию соответствующей защиты. Чтобы частые отключения линий из-за замыканий на землю не нарушали надежности питания потребителей, на таких линиях применяется однофазное или трехфазное автоматическое повторное включение (АПВ).

В целом система электроснабжения выполняется таким образом, чтобы в условиях послеаварийного режима, после соответствующих переключений и пересоединений она была способна обеспечить питание нагрузки предприятия (с частичным ограничением) с учетом использования всех дополнительных источников и возможностей резервирования (перемычек, связей на вторичном напряжении, аварийных источников и т. п.). При этом возможны кратковременные перерывы питания электроприемников II категории на время переключений и пересоединений и перерывы питания электроприемников III категории на время до 1 суток.

Для наиболее экономичного резервирования в системах электроснабжения учитывают перегрузочную способность электрооборудования, резервирования технологической части, возможность проведения плановых ремонтов и ревизий электрооборудования в период планово-предупредительных ремонтов технологического оборудования. Кроме того, при аварии предусматривается автоматическая или ручная разгрузка от неответственных потребителей с выделением питания нагрузок III категории для возможности их отключения по аварийному, заранее имеющемуся на предприятии, графику.

Многолетние обследования электрохозяйства промышленных предприятий показали, что имеет место недогрузка электрооборудования не только при достижении полной проектной мощности, но даже при ее превышении. Естественный последующий рост нагрузок не может служить основанием для завышения параметров электрооборудования и сечения питающих и распределительных сетей при реконструкции и проектировании систем электроснабжения. При росте нагрузок не используют резервы, предусмотренные для обеспечения бесперебойного питания электроэнергией предприятия, так как это может привести к снижению надежности электроснабжения всех потребителей предприятия.

Все более важное значение приобретает при построении рациональной и надежной системы электроснабжения обеспечение бесперебойного питания особой группы электроприемников, потребителей, расположенных в зонах с загрязненной средой, а также в северных районах с тяжелыми климатическими условиями. Особое значение для повышения надежности и экономичности системы электроснабжения имеет обеспечение необходимого качества электроэнергии в связи с ростом резкопеременных нагрузок электропривода, электротермии, электросварки, оказывающих вредное влияние на качество электроэнергии.

При технико-экономических сравнениях возможных вариантов электроснабжения руководствуются директивными документами, в которых даются принципиальные указания для выбора экономически целесообразных технических решений в области энергетики.

1.2 Основные проблемы в электроснабжении промышленных предприятий

Одной из самых главных проблем в промышленной энергетике является энергосбережение и экономия материальных, а также трудовых ресурсов. Сюда можно отнести, например выпуск менее материалоемких, но более надежных и долговечных изделий, более полное использование вторичных сырьевых и энергетических ресурсов, повышение КПД энергоустановок, уменьшение потерь энергии и т. д.

Важным резервом экономии электроэнергии в промышленности является в настоящее время применение энергосберегающих технологий (совершенствование существующих и разработка новых).

Экономия электроэнергии означает прежде всего уменьшение потерь электроэнергии во всех звеньях системы электроснабжения и в самих электроприемниках. Основными путями снижения потерь электроэнергии в промышленности являются следующие:

1) рациональное построение системы электроснабжения при ее реконструкции и проектировании, включающее в себя применение рациональных напряжений, числа и мощности силовых трансформаторов, общего числа трансформаций, места размещения подстанций, схемы электроснабжения, компенсации реактивной мощности и др.;

2) снижение потерь электроэнергии в действующих системах электроснабжения, включающее в себя управление режимами электропотребления, регулирование напряжения, ограничение холостого хода электроприемников, модернизацию существующего и применение нового, более экономичного и надежного технологического и электрического оборудования, применение экономически целесообразного режима работы силовых трансформаторов, замену асинхронных двигателей (АД) на синхронные (СД), где это возможно, автоматическое управление освещением в течение суток, повышение качества электроэнергии и др.;

3) нормирование электропотребления, разработка научно обоснованных норм удельных расходов электроэнергии на единицу продукции; нормирование электропотребления предполагает наличие на предприятиях надежных систем учета и контроля расхода электроэнергии;

4) организационно-технические мероприятия, которые разрабатываются конкретно на каждом предприятии с учетом его специфики.

В системах электроснабжения промышленных предприятий и установок энерго– и ресурсосбережение достигается за счет уменьшения потерь электроэнергии при ее передаче и преобразовании, а также за счет применения менее материалоемких и более надежных конструкций всех элементов этой системы. Это учитывается, в частности, при выборе вариантов системы электроснабжения при ее реконструкции и проектировании (например, при выборе номинальных напряжений сетей).

Одним из действенных путей уменьшения потерь электроэнергии является компенсация реактивной мощности (КРМ) потребителей с помощью местных источников реактивной мощности (ИРМ). Причем весьма важное значение имеет правильный выбор типа, мощности, местоположения и способа автоматизации ИРМ.

Компенсация реактивной мощности означает снижение реактивной мощности, циркулирующей между источником тока и приемником, а, следовательно, снижение реактивного тока в генераторах и сетях. Снизить потребление реактивной мощности, т. е. уменьшить потери активной мощности, можно двумя способами: без применения и с применением компенсирующих устройств (КУ).

К первому способу (без применения КУ) относятся: упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима работы оборудования, к повышению коэффициента мощности cos Ф; замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности, переключение статорных обмоток АД напряжением до 1 кВ с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее 40 %, повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных, правильный выбор электродвигателей по мощности и по типу и др.

Ко второму способу (с применение КУ) относится использование в качестве КУ батарей конденсаторов и СД. Зависимость мощности конденсаторных батарей от квадрата напряжения снижает устойчивость нагрузки и может привести к лавине напряжения. Наличие высших гармоник тока и напряжения в сети может привести к пробою конденсаторных батарей.

Синхронные двигатели широко применяются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и т. д. Такие СД выпускаются с номинальным опережающим коэффициентом мощности, равным 0,9, и могут работать в режиме перевозбуждения, т. е. генерации реактивной мощности. Характер и значение реактивной мощности СД определяются током возбуждения в обмотке его ротора. В режиме перевозбуждения СД представляет собой активную и емкостную нагрузки, т. е. СД работает не только как двигатель, но и как источник реактивной мощности.

При эксплуатации систем электроснабжения большое значение имеет также выравнивание нагрузок во времени с использованием для этого целенаправленного управления электрооборудованием (выравнивание графиков нагрузки, снижение и смещение пиковых мощностей и т. п.).

К проблеме энерго– и ресурсосбережения относится также повышение надежности электроснабжения, так как внезапное прекращение питания может привести к большим убыткам в производстве. Однако повышение надежности обычно связано с увеличением стоимости системы электроснабжения. Поэтому, как правило, определяют оптимальные показатели надежности, выбирают оптимальную по надежности структуру системы электроснабжения.

Другой проблемой, ставшей особенно актуальной в связи с широким применением вентильных преобразователей, подключенных к системам электроснабжения, является обеспечение требуемого качества электроэнергии. Низкое качество электроэнергии приводит прежде всего к увеличению потерь электроэнергии как в электроприемниках, так и в сети.

Так, при снижении напряжения от U_ном потери возрастают до 5 % и более; дополнительные потери электроэнергии имеют место также и при несимметричной нагрузке и при несинусоидальном напряжении. Снижение качества электроэнергии сокращает срок службы электрооборудования главным образом за счет перегрева оборудования и преждевременного старения изоляции.

Так, например, при несимметрии напряжения, равной 4 % срок службы полностью загруженного АД сокращается в 2 раза; при несимметрии, равной 10 %, располагаемая мощность АД уменьшается на 20–50 % в зависимости от исполнения двигателей. Значительную экономию электроэнергии можно получить от внедрения автоматизированных систем управления на базе компьютерной техники.

Переход на новую элементную базу вспомогательных цепей систем электроснабжения, а именно внедрение микропроцессорных систем защиты, автоматики и телемеханики открывает возможность значительного уменьшения мощности и материалоемкости трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН), а также перехода на принципиально новые, более совершенные измерительные преобразователи.

Широкое внедрение управляющих микропроцессорных систем обеспечивает значительный экономический эффект за счет повышения гибкости и надежности систем электроснабжения.

Актуальной и весьма важной задачей является обеспечение электро-, пожаро– и взрывобезопасности установок электроснабжения, совершенствование и разработка новых устройств защиты и сигнализации.

Системы электроснабжения промышленных предприятий имеют следующие особенности:

а) непрерывность и неразрывное единство производства, передачи и потребления электроэнергии; практическая невозможность ее складирования;

б) многоцелевое использование электроэнергии при наличии категорий потребителей с различными требованиями к надежности и качеству электроэнергии;

в) малая вероятность полного отказа систем, а также их непланового ремонта вследствие большого количества потребителей и значительного развития характеристик взаимозаменяемых элементов;

г) непрерывное развитие систем электроснабжения во времени и пространстве.

В последнее время количественные оценки систем электроснабжения используются не только на этапе проектирования и реконструкции, но и при эксплуатации для управления уровнем надежности. При этом необходимо иметь информацию о фактическом состоянии элементов, о ремонтных группах, о режимах работы оборудования.

Надежность системы основывается на случайных явлениях, а чтобы они могли выступать как необходимые, система должна быть избыточной. Под избыточностью понимают дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.

Таким образом, с одной стороны избыточность системы является необходимым условием надежности и должна быть свойственна техническим системам. С другой стороны, избыточные системы, приобретая высокую надежность, могут приобрести ряд свойств, снижающих их эффективность. В частности, для избыточных систем характерны большие экономические затраты на сооружение и эксплуатацию.

На практике избыточность систем электроснабжения выступает в форме резервирования, совершенствования конструкций и материалов, из которых изготовлены элементы, повышения их долговечности, прочности, совершенствования технического обслуживания, контроля и управления.