Надежность электротехнических систем предприятий с непрерывными технологическими процессами

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается анализ надежности и разработка методического обеспечения надежности систем электроснабжения предприятий легкой промышленности и повышения устойчивости коммутационных аппаратов, релейной защиты и автоматики на подстанциях 35–110 кВ.

ABSTRACT

The article examines the analysis of reliability and the development of methodological support for the reliability of power supply systems for a light industry enterprise and increasing the stability of switching devices, relay protection and automation at 35–110 kV substations.

Ключевые слова: надежность, отказ (повреждение), вероятность нарушения, кратковременные нарушения в электроснабжении.

Keywords: reliability, failure (damage), probability of violation, short-term power outage.

Введение. Надежность, рассматриваемая в период проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытания (объектами могут быть системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали), является, как известно, экономической категорией.

Основная часть. В своей практической деятельности в процессе проектирования и эксплуатации систем электроснабжения инженеру-энергетику приходится постоянно принимать различные решения. На эти решения оказывает влияние большое количество факторов, среди которых особое место занимает надежность. Опыт эксплуатации показывает, что вероятность нарушения электроснабжения не остается одинаковой в течение года или даже суток. Электроустановки, используемые для преобразования, передачи и распределения электроэнергии, подвергаются воздействию большого количества факторов: воздействия окружающей среды, эксплуатационные, случайные ошибки проектирования и монтажа.

Применительно к передаточным устройствам – воздушные линии всех классов напряжений – наиболее характерными факторами, способствующими их отказам, являются дождь, мокрый снег, густой туман, изморозь и т.д., а у кабельных линий и силовых трансформаторов, установленных на электроустановках открытого типа, к факторам окружающей среды относятся солнечная радиация, атмосферное давление, температура окружающей среды.

Строго говоря, реальные потоки отказов элементов электрических систем нестационарные, так как интенсивность отказов λ зависит от времени эксплуатации t. График зависимости λ от t называется характеристикой жизни объекта.

Рисунок 1. График зависимости λ от t

Здесь: 1 – период приработки – период выявления скрытых дефектов монтажа и изготовления [«выявление» дефектов (1–3 года)]; 2 – период нормальной работы; характеризуется примерно постоянной интенсивностью отказов.

Аварийное отключение одного потребителя подключенных на секции шин 6–10 кВ подстанции не проходит без последствий для других потребителей, подключенных к этой секции шин. При повреждении отходящих кабельных линий 6–10 кВ на подстанциях 35–110 кВ время отключения максимально токовой защиты на автоматических выключателях установлена 1 секунда, а на вводных выключателях еще больше, вследствие настоящих отключений и происходит нарушение в электроснабжении других потребителей, подключенных к этой секции шин 6–10 кВ, в результате чего происходят аварийные остановки части технологических процессов, характеризующихся высокими требованиями в части непрерывности, качества и надежности электроснабжения. Необходимо на подстанции 110/10/10 кВ Стрелкова и других подстанциях изменить ставку срабатывания защиты минимального напряжения узлов электрической нагрузки электротехнической системы, заключающейся в обоснованном снижении уровня минимально допустимого напряжения и увеличении выдержки времени срабатывания защиты минимального напряжения. По сути, данное мероприятие направлено не на повышение устойчивости электротехнической системы, а на снижение числа необоснованных отключений оборудования. Это обусловлено тем, что защита минимального напряжения полностью характеризуется двумя параметрами – напряжением и выдержкой времени срабатывания, которые в большинстве случаев не учитывают реального состава потребителей и характеристик электротехнической системы, а устанавливаются по требованиям энергоснабжающей организации исходя из параметров наиболее вероятного режима работы электротехнической системы. В сетях 6–35 кВ переход замыканий в межфазные короткие замыкания от перенапряжений составляет от 60 до 65 %, а от замыкающих дуг – 35–40 %. Это соотношение характерно и для кабельных сетей.

Понижение напряжения оказывают большое влияние на работу асинхронных двигателей. При изменении напряжения питающей сети изменяется механическая характеристика, представляющая собой зависимость момента электродвигателя от частоты вращения или скольжения, нарушается синусоидальный режим работы частоты преобразователя, что приводит к необратимому процессу, даже аварийной остановке технологического оборудования.

Для электрических машин, трансформаторов и кабелей наиболее существенно тепловое старение изоляции. Электроизоляционный материал, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение.

Нагрузки при непрерывных режимах работы, связанных с частыми включениями и отключениями электропривода, способствуют возникновению ударно-вибрационной нагрузки, которая впоследствии приведет к необратимому технологическому процессу.

Очевидно, что если на зажимах электродвигателя, работающего с полной нагрузкой, произойдет значительное снижение напряжения, то момент сопротивления механизма может оказаться больше максимального вращающего момента электродвигателя. В этом случае произойдет «толчок» двигателя. При снижении напряжения ухудшаются условия пуска двигателя, так как снижается пусковой момент и при постоянном моменте сопротивления механизма повышается потребляемый электродвигателем ток, что приводит к увеличению потерь на нагрев обмоток. На Бухарском нефтеперерабатывающем заводе исчезновение напряжения на 150 мсек приведет к полному разрушению технологического процесса, и необходима перезагрузка технологического процесса.

Будучи энергетиком, хотел бы вспомнить произошедшие события, в которых кратковременные нарушения электроснабжения привели к простою производства, недоотпуску продукции, уменьшению объема готовой продукции, к срыву плана производства готовой продукции, что в итоге сопровождается материальным ущербом. Если рассмотреть отдельные случаи по городу Бухаре и по Бухарской области, можно понять некоторые упущения при проектировании и строительстве кабельных эстакад и прокладке кабельных линий, а также при их эксплуатации. В настоящее время от подстанции 110/10/10кВ Стрелкова запитаны, т.е. электроэнергию получают, в основном предприятия по переработке хлопковых волокон, текстильной промышленности, АО «Бухоро Энергомарказ», АО «Бухоро механика заводи» (тоже имеются электрические печи сопротивления, кратковременные нарушения в электроснабжении которых приводят к аварийному нарушению технологических процессов, остановке оборудования и к значительному материальному ущербу), а также бытовые потребители. Помимо этого, аварийные остановки производства и их последующие пуски приводят к износу электротехнического оборудования.

Кратковременные нарушения электроснабжения при посадке напряжения на 0,2 сек и более на прядильной фабрике приводят к нарушению технологических процессов и материальному ущербу, который составляет: суточный выпуск пряжи – 40,0 тонн, для восстановления технологического процесса потребуется в среднем 30 минут, недовыпуск пряжи – 833 кг, 1 кг пряжи на мировом рынке оценивается в среднем в 4 доллара США (самовывоз). Значит, прядильная фабрика за одну посадку напряжения в системе электроснабжения 10 кВ недополучила продукцию на сумму 3332 доллара США, таких посадок происходит от 10 до 40 раз в год.

Мы рассмотрели только единичный случай по ООО ИП «POSСO INTERNATIONAL TEXTILE», годовая переработка хлопковых волокон которого составляет 19000 тонн. Недоотпуск электрической энергии составляет 2500 кВт·ч (ООО ИП «POSСO INTERNATIONAL TEXTILE» за один час потребляет в среднем 5000 кВт·ч).

Большая часть повреждений в электрических системах связана с нарушением электрической изоляции элементов, в том числе кабельных линий – 6–10 кВ. Прокладка кабелей и техническое состояние кабельной эстакады не соответствуют требованиям ПУЭ, имеются места пересечения кабелей 10 кВ, кабели не защищены от попадания солнечных лучей. Согласно указанному ПУЭ по пункту 2.3.19. «Открытая прокладка кабельных линий должна производиться с учетом непосредственного действия солнечного излучения, а также теплоизлучений от различного рода источников тепла.

При прокладке кабелей на географической широте более 65° защита от солнечного излучения не требуется». Географическое положение и координаты Бухарской области: широта – 40° 0'C, долгота – 64° 0' 0E.

В регионах, расположенных на географической широте менее 65°, необходимо защитить кабели от прямого попадания солнечного излучения на открыто проложенные кабели сооружений и эстакад. Сопротивление в металлах при нагревании увеличивается. Температурный коэффициент сопротивления алюминия – 4,30×10^–3 1/кельвин, температурный коэффициент сопротивления меди – 3,80×10^–3 1/кельвин. Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. При нагревании кабелей их сопротивление возрастает. В материале проводника с возрастанием температуры происходит ускорение износа изоляции кабеля и выхода из строя. Например, на двух кабельных линиях 10 кВ имеется по три комплекта кабельных муфт. Теперь давайте рассмотрим и проанализируем зависимость характеристик поверхности, сопротивления и тепловых характеристик в точках подключения муфт 6–10 кВ.

.                                                                          (1)

Таблица 1.

Таблица расчета изменения плотности тока на поверхностях двух соединительных проводов в кабельных муфтах

В этой таблице показано изменение плотности тока на поверхностях двух соединительных проводов в кабельных муфтах. В муфтах мы видим, что плотность тока увеличивается в результате уменьшения площади поверхности соединяемых частей проводников относительно реальной поверхности. Плотность тока прямо пропорциональна току и обратно пропорциональна площади поверхности проводника. Рисуем график изменения плотности тока на соприкасающихся друг с другом поверхностях проводников в деталях муфты, без учета изменения тока в муфтах.

Рисунок 2. График изменения плотности тока на соприкасающихся друг с другом поверхностях проводников в деталях муфты, без учета изменения тока в муфтах

График на рис. 2 показывает, что плотность тока в кабельных муфтах распределяется по-разному в зависимости от длины проводника. В результате сопротивление проводника на единицу длины изменяется. Значения его изменения приведены в табл. 2. Из этой таблицы видно, что сопротивление изменениям контактных поверхностей проводника изменяется обратно пропорционально.

;                                                                          (2)

.                                                                     (3)

Таблица 2.

Таблица расчета зависимости количества выделяемого тепла от сопротивления

Рисунок 3. График зависимости сопротивления проводника от поверхности кабеля

По мере уменьшения контактных поверхностей проводников в муфтах значение сопротивления в этой части увеличивается. На рис. 3 построен график изменения сопротивления в единицах длины в точках сужения контактных поверхностей в муфте. Результат показывает, что чем ниже поверхность, тем выше сопротивление муфты в этой части. Увеличение плотности тока на единицу площади в соединительных частях проводников приводит к увеличению сопротивления в этой части проводника. Это значение увеличивается в 3 раза в номинальном состоянии, когда ток не изменяется во время работы. Это увеличивает количество тепла, выделяемого в этой части кабеля. Сравнивая эти изменения на основе значений в табл. 2, мы получим график, показанный на рис. 4.

Рисунок 4. График зависимости количества выделяемого тепла от сопротивления

График на рис. 4 показывает, что, если сопротивление проводников в муфте увеличивается, количество выделяемого тепла также увеличивается прямо пропорционально. Эти результаты и графики изменений показывают, что в муфтах кабельных линий 60–10 кВ выделяется большое количество тепла, что приводит к обрыву линий в результате разрыва (плавления) изоляции муфты. Один из способов предотвратить это – только увеличить площадь поверхности проводника, соприкасающегося с муфтой.

Электрическое сопротивление проводника в общем случае зависит от материала проводника, от его длины и от поперечного сечения, или более кратко – от удельного сопротивления и от геометрических размеров проводника.

Заключение. Необходимо на подстанциях изменить ставку срабатывания защиты минимального напряжения узлов электрической нагрузки электротехнической системы, заключающейся в обоснованном снижении уровня минимально допустимого напряжения и увеличении выдержки времени срабатывания защиты минимального напряжения.

Необходимо защитить от прямого попадания солнечного излучения открыто проложенные кабели сооружений и эстакад.

Улучшение характеристик основных элементов подстанций 35–110 кВ средствами автоматизации. АПВ трехфазной и пофазной быстродействующих защит. Для уменьшения несинусоидальности напряжений (уменьшения высших гармоник) используют отдельное питание для потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Список литературы:

1. Андреев В.А. Релейная защита, автоматика и телемеханика в системах электроснабжения : учебник. – М. : Высшая школа, 2005. – 391 с.
2. Гафуров М.О. Основные меры энергосбережения на промышленных предприятиях и их эффективность // Universum: технические науки. – М., 2019. – Вып. 12 (69). Ч. 3. – С. 70–72.
3. Захаров О.Г. Надежность цифровых устройств релейной защиты. Показатели. Требования. Оценки : учебник. – М. : Инфраинженерия, 2014. – 128 с.
4. ПУЭ. – М. : Энергоатомиздат, 1986.
5. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. – Энергия, 1979. – 408 с.
6. Gafurov M.O. Methodology for Calculating the Generalized Efficiency of the Energy Supply System of Industrial Enterprises // International Journal of Academic Multidisciplinary Research (IJAMR). – 2020. – Vol. 4, Issue 4. – P 104–108.