CC BY
91
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА
УДК 629.12.066 В. М. Приходько,
канд. техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;
М. Л. Ивлев,
канд. техн. наук, САФУ;
И. В. Приходько,
аспирант,
ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова
РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ПРИ ПИТАНИИ СУДОВ С БЕРЕГА
THE RESONANT PHENOMENA IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS WITH SEMICONDUCTOR CONVERTERS AT PIATNY OF VESSELS
FROM THE COAST
Показано, что в электротехнических комплексах «берег-судно» или «берег-док» при испытаниях судовых генераторных агрегатов по энергосберегающей технологии с отдачей электроэнергии в сеть судостроительно-судоремонтного предприятия возникает резонанс токов в контуре «силовой трансформа-тор-конденсаторная батарея».
It is shown that in the electrotechnical complexes «coast-vessels» or «coast-dock» at test of ship generating units on energy saving technology with electric power return in a network of the ship-building and ship-repair enterprise there is a resonance of currents in a contour the power transformer-the condenser battery.
Ключевые слова: нагрузочные устройства, ресурсосберегающая технология, силовой трансформатор, конденсаторная батарея, резонанс токов, гармоники тока, тиристорный преобразователь, резонансная частота.
Key words: load devices, resource-saving technology, power transformer, condenser battery, resonance of currents, current harmonicas, thyristor converter, resonant frequency.
А
ГРЕГАТЫ судовых электростанций (СЭС), состоящие из генераторов постоянного или переменного тока и соединенных с ними первичных двигателей (дизелей, паровых или газовых турбин), испытываются под нагрузкой при выполнении проверочных, наладочных и сдаточных работ на заводах-изготовителях, а также после их установки непосредственно на месте эксплуатации (на судах, доках, плавкранах, автономных объектах) <ч в режимах изменения, сброса и наброса нагрузки, при одиночной и параллельной работе [1,
с. 29-30; 2, с. 25-29].
£ Обеспечить ресурсоэнергосбережение, повысить электро- и пожаробезопасность, ускорить
и снизить стоимость проверочных, наладочных и сдаточных работ можно за счет объединения испытаний первичных двигателей (дизелей) и генераторов судовых электростанций, рационального распределения испытаний по этапам, настройки ряда элементов до их установки на судно и последующей проверки в составе судового генераторного агрегата, исключения некоторых проверяемых величин и косвенной оценки ряда данных, отдачи вырабатываемой электрической энергии в сеть судостроительно-судоремонтного предприятия [3, с. 25-28; 4, с. 25-29].
Генераторные агрегаты судовых электростанций испытываются в период общих монтажных и наладочных работ на судах, что исключает использование штатных нагрузок. Поэтому необходимы нагрузочные устройства (НУ) для испытания в статических и динамических режимах генераторных агрегатов различных судов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга [5, с. 25-28; 6].
Для испытаний дизель-генераторных установок (ДГУ) компания “Froment” (штат Нью-Джерси, США) выпускает НУ суммарной мощностью 50 МВА. Блоки НУ мощностью от 5 кВт до 7,2 МВА поставляются компанией в 25 стран мира. Большинству европейских производителей ДГУ поставляются резистивные НУ мощностью 1,2 МВт. Компания “Aggreko” (Великобритания) поставляет резистивные и индуктивные НУ мощностью от 200 кВт до 6 МВА, а также трансформаторы для испытаний ДГУ. Компания осуществляет испытания ДГУ и газотурбинных установок (ГТУ) систем электроснабжения платформ морских нефтепромыслов. Суммарная мощность модулей НУ может составлять 30 МВт. В одной из подобных систем электроснабжения морского нефтепромысла, принадлежащего компании “Shell/Esso”, испытывали параллельно работающие ДГУ и ГТУ мощностью по 19,5 МВт (напряжение 11 кВ, частота 60 Гц, коэффициент мощности 0,8). Испытательное оборудование, размещенное в герметизированных оболочках, включало 6 трансформаторов номинальной полной мощностью по 5 МВА, 2НУ мощностью по 4,5 МВА, 1 НУ мощностью 5 МВА, 6 НУ мощностью по 2,5 МВА и 1 ДГУ мощностью 500 кВА. Для испытаний дизель-электрических станций с 1993 г. увеличился спрос на индуктивные НУ. В настоящее время все блоки НУ оснащаются системой автоматического регулирования (САР) на основе бортовой ПЭВМ, значительно расширяющей возможности управления нагрузкой и проведения испытаний по сложным программам. САР на основе судовой ПЭВМ обеспечивает регулирование напряжения при изменении трехфазной нагрузки во всех диапазонах работы НУ, позволяет управлять нагрузкой, осуществлять документирование испытаний, проводить анализ переходных процессов. В дальнейшем цифровые САР будут введены в структуру НУ большой мощности для испытаний мощных судовых дизель-генераторных установок.
С целью исключения потерь энергии в активных сопротивлениях НУ, повышения их долговечности, мощности и уменьшения вредного влияния на окружающую среду (выделения большого количества теплоты, образования тумана с осаждением влаги на оборудовании и усиленным коррозированием металлических частей) разрабатываются устройства для передачи вырабатываемой электрической энергии в общепромышленную сеть судостроительно-судоремонтного предприятия, а также на строящиеся суда.
Анализ внедрения ресурсосберегающей технологии испытаний судовых электростанций на судостроительно-судоремонтных предприятиях, а также реализации предложений по сокращению объемов испытаний показывает, что для исследования кратковременных переходных процессов и непродолжительных испытаний маломощных генераторных агрегатов могут применяться в качестве нагрузки резистивные и индуктивные НУ. Однако передачу электроэнергии в промышленную сеть судостроительно-судоремонтного предприятия следует признать более перспективным методом испытаний судовых электростанций [7, с. 1-10; 8, с. 13-17; 9]. При этом между сетью судостроительно-судоремонтного предприятия и судовым генераторным агрегатом необходимо предусмотреть согласующее устройство, так как напряжение сети нестабильно и изменяется иногда на ±10-15 %, а частота — на 2 % (например, допустимое изменение напряжения генераторного агрегата автономного объекта 1 %).
Предложенный и внедренный ЦНИИСЭТ способ для испытания судовой электроэнергетической системы путем использования одного из штатных судовых генераторов для компенсации изменения напряжения береговой сети и устройство, включенное между главным распределительным щитом судна и береговой сетью, жестко связывают частоты береговой и судовой сети. Это не позволяет испытывать регуляторы частоты вращения первичного двигателя, а также генераторы автономного объекта повышенной частоты. Устройство невозможно использовать для передачи электрической энергии судовых генераторов постоянного тока в береговую сеть переменного тока судостроительно-судоремонтного предприятия.
Выпуск 3
Выпуск 3
При ресурсосберегающей технологии испытаний перспективно известное устройство для испытания судовых генераторных агрегатов по схеме «генераторный агрегат переменного тока-трансформатор-управляемый выпрямитель-ведомый сетью инвертор-береговая сеть переменного тока». Эта схема электротехнического комплекса «берег-судно» внедрена на Находкинском судоремонтном заводе и Мурманской судоверфи. При этом величина тока испытуемых судовых генераторных агрегатов определяется путем воздействия на угол отпирания ведомого сетью инвертора, а коэффициент мощности судового синхронного генератора регулируется изменением угла открытия тиристоров управляемого выпрямителя. При необходимости можно испытывать также судовые генераторы постоянного тока, которые в этом случае подключаются непосредственно к ведомому сетью инвертору.
Несмотря на то что рассматриваемая схема генерирует в судовую и промышленную сеть судостроительно-судоремонтного предприятия высшие гармоники тока и напряжения и все ее элементы рассчитаны на полную передаваемую мощность, несомненным достоинством ее является универсальность: возможность испытания судовых синхронных генераторов разных частот, отличающихся от частоты береговой сети, испытания судовых генераторов постоянного тока, независимость напряжений испытуемых генераторов и сети, возможность полного объема испытаний первичного двигателя, исследования статических и динамических режимов.
Моделирование процессов в сложных электроэнергетических системах позволяет получить достоверную оценку качества вырабатываемой энергии, особенно на современных судах, на которых все большее применение находит силовая полупроводниковая техника (выпрямители, инверторы, преобразователи частоты) со всеми сопутствующими ей проблемами (генерирование гармоник тока и напряжения, снижение качества электроэнергии, воздействие на работу установленного оборудования, возможность возникновения резонанса и др.).
В электроэнергетических системах (ЭЭС), предназначенных для питания судов с берега, для повышения коэффициента мощности используются статические конденсаторные батареи (КБ), подключаемые, как правило, к шинам вторичного напряжения источника питания, к которым подключается энергосистема находящегося у причальной стенки судна, проходящего ремонт или находящегося в стадии достройки или швартовных испытаний. Однако наличие в ЭЭС мощных тиристорных преобразователей (ТП) приводит к появлению в питающей сети высших гармоник тока и напряжения, в результате этого в контуре «силовой трансформатор (СТ)-КБ» могут возникать резонансные явления, вызывающие резкое ухудшение режима работы всей ЭЭС [10].
Прогнозирование резонансных явлений в ЭЭС на этапе проектирования требует использования вероятностных методов, так как количество потребителей в различных режимах работы СЭС, так же как и число одновременно работающих ТП, изменяются случайным образом. Вместе с тем на практике существует необходимость детерминированной оценки возможности возникновения в ЭЭС резонансных режимов.
Наибольшую опасность представляют резонансы токов в контурах между реактансами фаз СТ и емкостными реактивными сопротивлениями КБ. При анализе резонансных процессов ограничимся рассмотрением диапазона гармоник с частотами до 1 кГц, в пределах которого частотные характеристики ЭЭС при отключенной КБ можно с достаточной точностью считать линейными.
На рис. 1, а представлена обобщенная однолинейная схема ЭЭС с ТП, КБ и эквивалентной асинхронной нагрузкой, а на рис. 1, б — ее схема замещения для высших гармоник, где СТ представлен активно-индуктивным сопротивлением, так же как и обобщенный асинхронный двигатель (АД), конденсаторная батарея замещена активно-емкостным сопротивлением, а ТП — реактивным сопротивлением согласующего трансформатора и источником высших гармоник тока.
Рис. 1. Схема условно-типовой ЭЭС (а) и ее схема замещения на фазу (б)
Из схемы замещения ЭЭС на фазу (рис. 1, б) следует, что в системе при отключенном АД возможен резонанс токов в контуре СТ-КБ. При этом частота резонанса токов определяется как [11]:
,ХСХТ - Г2ту
(1)
V хсхт - Г су
1
где ®о - і — резонансная частота при гТу = гсу = 0; хт, хс — индуктивное и емкостное со-
V Ьт Скб
противления СТ и КБ для первой гармоники; ггсу — активные сопротивления СТ и КБ для у-й гармоники тока.
Потери энергии у КБ в ЭЭС с частотой 50 Гц достаточно малы, так как у КБ распространенных типов тангенс угла диэлектрических потерь 1§5 = 0,004, что позволяет при определении резонансной частоты считать гсу = 0. Кроме того, активное сопротивление фазной обмотки судовых СТ, как правило, на порядок меньше эквивалентного фазного реактанса хТ СТ, поэтому ими можно без большой погрешности пренебречь. Таким образом, с погрешностью, не превышающей 5 %, частота резонанса токов может быть найдена из выражения
^=Юо=72Т^- (2)
С учетом (1) порядок гармоники, на которой возможен резонанс токов в контуре СТ-КБ, будет определяться соотношением
(3)
где юс — частота питающей сети.
Учитывая возможность дискретного изменения емкости КБ [10], согласно (3) были рассчитаны зависимости Скб = ДхТ), представленные на рис. 2. Из анализа зависимостей Скб = ДхТ), приведенных на рис. 2, следует, что практически для большей части СТ и типовых КБ существует возможность резонанса токов на высших гармониках с порядковыми номерами от 5 до 19. Так, например, в ЭЭС с трансформатором типа ТМ-1000 (РТ = 1000 кВт, ин = 400 В, хТ = 0,019 Ом) при использовании от одной до трех КБ на основе конденсаторов типа КС-2-0,4-30-ТМ емкостью по 597 мкФ каждая возможны резонансы токов на гармониках, порядки которых лежат в пределах V = 9-17.
Приведенные на рис. 2 графики позволяют определять вероятную частоту резонанса в контуре СТ-КБ и в том случае, когда КБ подключается к шинам питания через защитные реакторы. При этом необходимо вместо стандартного реактанса хТ брать приведенное значение
х'т = Хт + ^ (4)
где хр — индуктивное сопротивление защитного реактора на частоте первой гармоники питающей сети.
Выпуск 3
Подключение АД к шинам питания приводит к изменению индуктивного сопротивления сети. Если пренебречь активными сопротивлениями схемы замещения, то его можно найти из выражения
хтхш
*тэ=-7^- (5)
Х^+Хдд
С погрешностью, не превышающей 5-7 %, хАД определяется соотношением
_и2н совфзд ^
*АД ~ V- р , (6)
П АД,
где КП = 5-7 — кратность пускового тока АД.
Из выражений (5) и (6) следует, что подключение к ЭЭС, питаемой от СТ типа ТМ-1000, АД мощностью РАД = 50 кВт приводит к изменению индуктивного сопротивления примерно на 10 %. Следовательно, при мощности АД, достигающей 5 % от мощности СТ, уже может быть необходим учет его влияния на полный реактанс сети.
Изменение индуктивного сопротивления сети приводит к изменению величин гармоник тока, генерируемых ТП в питающую сеть, и к смещению резонансной частоты параллельного резонансного контура СТ-КБ. Для приближенной оценки изменения величин гармоник тока можно воспользоваться упрощенной методикой.
Рис. 2. Зависимость между емкостью КБ и реактансом СТ
Как известно, угол коммутации у определяется по известному значению выпрямленного тока 1а и полному сопротивлению коммутации хк из соотношения
| 7 ^^1^ + 1). (7)
“ **2 2
Полагая, что угол управления ТП а = 0, и считая, что при подключении АД ток 1а на выходе
ТП не изменится, из (7) получим
БШ2 — 81П2Т
-------2. =-------Д. (8)
** **
где х'к, у' — новые значения коммутационного реактанса питающей сети и угла коммутации после включения АД.
Для судовых ТП угол коммутации обычно не превышает 15-20 эл. гр., поэтому без большой
• У У
погрешности можно считать 8т — » — , тогда из (8):
У = У • (9)
Расчеты, выполненные для случая подключения на шины питания АД мощностью 50 % от мощности CT, показывают, что угол коммутации при этом изменяется не более чем на 15-20 %. Это позволяет для приближенной оценки изменения гармоник тока TП в случае подключения асинхронной нагрузки воспользоваться простым соотношением:
• W
sm
Іш, = Іщ, , (10)
sin—
2
где I — амплитуда v-й гармоники тока TП при отключенном АД.
Если, как и в предыдущем случае, пренебречь влиянием активных сопротивлений на резонансную частоту, то после несложных преобразований можно показать, что частота резонанса токов в ЭЭС при подключении АД связана с собственной частотой контура CT-КБ следующим соотношением:
(Ор= <ор
ХАД
Порядок высшей резонансной гармоники в этом случае равен
1 + ^. (11)
VP =
(Хт + -*дд )ХС
-------- ---- =VP
ХТХАД
1 + -^. (12) *АД
Полагая в первом приближении, что мощность АД составляет 70 % от мощности СТ, кратность пускового тока КП = 6 и оо8фдд ~ С08фт, найдем, используя (12):
=05_06, (13)
ХАД РТиН СОвфдд
где хТое — среднее относительное значение реактанса СТ, равное 0,14 о. е.
Из (13) следует, что подключение к шинам питания эквивалентного АД, имеющего мощность 70 % от мощности СТ, изменяет резонансную частоту системы всего на 22-27 %.
В реальных ЭЭС суммарная мощность АД обычно не превышает 70 % от мощности СТ, на основании чего можно сделать вывод, что при подключении АД наибольшие изменения резонансной частоты не превысят 30 %, что позволяет производить достаточно точную инженерную оценку возможности возникновения резонансных режимов в ЭЭС без учета АД, то есть только в контурах СТ-КБ.
Проверка возможности резонансных явлений в электроэнергосистеме энергоблока, ЭЭС которого включает шесть трансформаторов типа ТМ-730, три эквивалентных двенадцатифазных преобразователей ВАКЗС-500-330, а также КБ суммарной мощностью 200 кВАр, показала, что при работе двух СТ, ТП и КБ в системе возможен резонанс на 7-й гармонике.
Экспериментальные исследования, проведенные на энергоблоке, показали значительное резонансное усиление нескомпенсированных 5-й и 7-й гармоник (до 10 %) в контуре СТ-КБ, что соответствует теории.
ГэГ
Выпуск 3
Выпуск 3
В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в электротехнических комплексах «берег-судно» или «берег-док» при испытаниях судовых генераторных агрегатов по энергосберегающей технологии с отдачей электроэнергии в сеть судостроительносудоремонтного предприятия возникает резонанс токов в контуре «силовой трансформатор-кон-денсаторная батарея». В электротехнических комплексах «берег-судно» или «берег-док», в электроэнергетических системах при питании судов с берега, когда система электроснабжения содержит мощные полупроводниковые преобразователи, существует возможность резонанса токов на высших гармониках с порядковыми номерами от 5 до 19 практически для большей части стандартных силовых трансформаторов и типовых конденсаторных батарей.
Список литературы
1. Приходько В. М. Повышение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов с берега / В. М. Приходько, В. И. Кравченко, А. М. Приходько // Судостроение. — 1984. — № 3.
2. Приходько В. М. Повышение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов от береговой сети / В. М. Приходько, В. И. Кравченко, А. М. Приходько // Методы и средства повышения эффективности контроля сопротивления изоляции ЭЭС. — Л.: Судостроение, 1984.
3. Приходько В. М. Повышение безопасности электроснабжения судов с берега / В. М. При-
ходько, В. И. Кравченко, А. М. Приходько // Судоремонт флота рыбной промышленности. — 1981. — 46.
4. Приходько В. М. Повышение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов
с берега / В. М. Приходько, В. И. Кравченко, А. М. Приходько // Передовой опыт и новая техника. — 1982. — 10.
5. Приходько В. М. Электронное нагрузочное устройство для испытаний судовых электростанций / В. М. Приходько, А. М. Приходько, В. П. Соловьев // Судостроение. — 1994. — № 4.
6. Приходько В. М. Обеспечение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов от береговых сетей / В. М. Приходько. — СПб.: СПГУВК, 2003. — 163 с.
7. Приходько В. М. Портативный прибор для технического диагностирования состояния контура «фаза-нулевой защитный проводник» при электроснабжении с берега ремонтируемых судов / В. М. Приходько // Морской транспорт. Сер. «Техническая эксплуатация флота». Экспресс-информация. — 1991. — № 3 (743).
8. Приходько В. М. Портативный прибор с тиристорным короткозамыкателем для измерения сопротивления цепи фаза-нуль в сетях низкого напряжения / В. М. Приходько, В. И. Кравченко, А. М. Приходько // Известия вузов СССР. Сер. «Энергетика». — 1983. — № 4.
9. Приходько В. М. Повышение электро- и пожаробезопасности при электроснабжении судов от береговых сетей / В. М. Приходько. — СПб.: СПГУВК, 2009. — 218 с.
10. Иванов В. С. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий / В. С. Иванов, В. И. Соколов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 336 с.
11. Электротехнический справочник / под ред. В. Г. Герасимова. — М.: МЭИ, 2003. — Т. 1. —
440 с.
