влияние отклонения напряжения и частоты на качество

ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ
УДК 621.313
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ НА КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОРСКОГО ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
Запальский В.Н., зам. директора НПК, Запальский К.Н., преподаватель
Высшее государственное учебное заведение «Николаевская политехника»
54000, г. Николаев, ул. Никольская, 11
E-mail: dinoland@mail.ru
Наведені результати оцінки впливу відхилення напруги та частоти на якість електропостачання в
автономної електроенергетичної системі. Запропановані рекомендації щодо діагностикі диапазонів
відхилення робочих параметрів мережі як у стійкому, так і розбалансованному стані.
Ключові слова: якість електроенергії, несінусоідальність напруги, відхилення частоти.
Presented measurement results of voltage and frequency influence on the value of electric power in energy
power system. Offered recommendation concerning the diagnostic of deviation intervals of operational system
factors in the steady-state as well as in the out-of balance condition.
Key words: electric power quality of ships, harmonics measurement, nonsinusoidal of voltage.
Введение. Для любой электро-энергетической
системы (ЭЭС), в том числе и морских сооружений (МС), характерно изменение уровня напряжения и отклонение частоты. Эти отклонения могут наблюдаться как кратковременный, так и длительный период времени. Причины длительных
отклонений рабочих параметров сети связаны с
источниками электрической энергии, но на кратковременные изменения оказывают влияния потребители. В большинстве случаев эти отклонения не приносят никакого вреда, но в некоторых
случаях они могут вызвать нежелательные последствия для судового электрооборудования.
Например, длительное изменение разности потенциалов и частоты могут индуцировать в сеть дополнительные потери в электрических машинах,
приводя их к перегреванию и уменьшению их
срока эксплуатации. Кратковременные отклонения могут вызывать аварийные режимы или выход из строя основных потребителей МС.
Однако классические методы контроля параметров напряжения включают в себя контрольную проверку отклонений разности потенциалов
и частоты от предельно допустимых значений,
соответствующих устойчивому режиму работы,
из-за ограниченности пределов измерений контрольных приборов. Это означает, что кратковременные отклонения не фиксируются. Таким образом, в сложных морских условиях диагностировать и исключать изменения параметров сети достаточно сложно [1].
Цель работы. Определить экспериментальным путем диапазоны отклонения напряжения и
частоты в рассматриваемой судовой ЭЭС, при текущих рабочих параметрах сети. Для решения поставленной задачи необходимо выполнить полную проверку его энергосистемы, как в устойчивом, так и разбалансированном рабочем состояниях.
Материал и результаты исследования. В качестве примера рассмотрим типичную для МС
ЭЭС плавкрана ”Феодосиец”, структурная схема
которой представлена на рис. 1 [1].
Основу ЭЭС составляет система шин главного
распределительного щита (ГРЩ) напряжением 0,4
кВ. К ГРЩ подключены: 3 дизель генератора
(РГ=500 кВт), 2 гребных электродвигателя
(РГЭД=315 кВт). Через токоограничивающий реактор к шинам ГРЩ подключены 5 комплектных
трехфазных мостовых тиристорных преобразователей (ТП) для питания электроприводов постоянного
тока крановых механизмов (РТПпотр=110,3 кВА,
РТПвых=92 кВт). Также к шинам ГРЩ подключены
потребители собственных нужд [1].
Искажения напряжения на шинах ГРЩ, обусловленные работой мощных ТП электроприводов
крановых механизмов, влияют на все подключенные к данным шинам ответственные потребители:
вторичные источники питания, системы автоматики, защиты, радионавигации, поэтому обеспечение
необходимого качества электроэнергии на входе
этих потребителей является решающим условием
успешного функционирования всего судна в целом.
На рассматриваемом МС изменения частоты составляют приблизительно 4% из предельно допустимого значения. Поскольку судно не новой постройки, то причину отклонения частоты определить бортовыми приборами достаточно сложно.
Кроме существующих стандартов по разработке и эксплуатации ЭЭС существует стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК)
[2-4], который также определяет допустимый уровень качества электрической энергии для судовых
сетей. Не смотря на разнообразие требований, максимально допустимые отклонения не должны превышать приведенные в таблице 1 показания [5].
Анализ параметров качества электрической
энергии в случае длительного отклонения проводился при постоянных рабочих условиях судовой
ЭЭС и в двух случаях: в ходовом режиме и при выполнении погрузо-разгрузочных операций.
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2009 (56). Частина 2
187
ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ
Рисунок 1 – Структурная схема электроэнергетической системы плавкрана «Феодосиец»
средний
ход
маневрирование
ходовой режим
погрузоразгрузочные
операции
малый
ход
Проведенный анализ показал наличие постоянного частотного отклонения, которое достигло
уровня 3,6 %. Других отклонений замечено не
было. Коэффициент общего гармонического искажения не превышал 1,2 %, а разбалансировка
напряжения практически не наблюдалась. Однако,
при включении крановых механизмов появлялось
резкое изменение кривой напряжения судовой сети.
Из–за постоянных изменений режимов работы
крановых механизмов, при выполнении погрузоразгрузочных операций были зафиксированы внезапные изменения показателей напряжения и частоты.
Полученные в результате исследования изменения напряжения U12 и частоты f21 отображены
на рис. 2.
На рис. 2 отчетливо видно, что в ходовом режиме МС, частота f21 не опускается ниже своего
номинального значения, а именно 50 Гц. Хотя
разность между минимальным и максимальным
значениям не превышает 2%. Детальные резуль-
таты анализа для трех ходовых режимов (малый,
средний ход, маневрирование) показаны в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты анализа изменения
напряжения и частоты при
разных ходовых режимах
Рабочие параметры
напряжение сети
частота
сети
Таблица 1 – Отклонения напряжения и частоты в судовой ЭЭС
Режимы работы системы
КратковреПараметры Длительный
режим
менный режим
%
%
Время, с
Напряже+6,0
±20,0
1,5
ние
-10,0
Частота
±5,0
±10,0
5,0
f12,
Гц
U12,
В
U23,
В
U31,
В
51,8
378
382
400
52,1
371
390
412
Обозначения в таблице 2 расшифровываются
следующим образом:
ΔUп, Δf12 – абсолютный показатель отклонения
напряжения U12 и частоты f12.
δUп, δf12 – относительные значения отклонения
напряжения U12 и частоты f12 (относительно номинальных значений).
ΔUЭМС(1/2), Δf12 – абсолютный показатель отклонения напряжения UЭМС(1/2) и частоты f12, относительно номинального значения при 50 % загрузке
ЭЭС.
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2009 (56). Частина 2
188
ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ
δUЭМС(1/2), δ f12 – относительное значение отклонения напряжения UЭМС(1/2) и частоты f12, относительно номинального значения при 50 % загрузке
ЭЭС.
а)
б)
Рисунок 2 – Результаты исследования изменения
напряжения U12 и частоты f21
а)
б)
Рисунок 3 – Изменение показателей UЭМС(1/2) и
частоты f12, зависящих от режима работы СЭЭС
При максимальном потреблении мощности
грузоподъемными механизмами МС возникает
негативное влияние тиристорных преобразователей (ТП) на судовую сеть. В свою очередь, это
приводит к изменению показателей UЭМС(1/2) и
частоты f12, что отображено на рис. 3.
Из рис. 3 видно, что при включении ТП по
схеме «звезда – треугольник», наблюдается от-
клонение напряжения значительно выше допустимого уровня [6], равного 20%. В то же время
значение напряжения U(12) не достигает 20% отметки.
Вследствие чего эта проблема является причиной колебания частоты судовой сети. Такое
изменение показателей качества электроэнергии
может привести к сбою или выходу из строя оборудования, обеспечивающего живучесть судна.
Выводы. 1. Нестабильность напряжения судовой сети приводит к дополнительным потерям
энергии, повышению температуры изоляционных
материалов, что в значительной мере сокращает
срок эксплуатации электрооборудования.
2. Гармонические искажения напряжения судовой сети согласно стандартов и правил классификационных обществ превышает разрешенный
10 % предел, что недопустимо для дальнейшей
эксплуатации электрооборудования.
3. При анализе качества электроэнергии расчетные значения должны предполагать погрешности, не превышающие 0,1%, в случае допустимых значений для частоты 0,5% и напряжения 2
%.
4. Из полученных результатов исследования,
рис. 3, гармонические искажения напряжения в
пределах ±20 % негативно влияют на судовое
электрооборудование. Следовательно, возникает
необходимость в дополнительном использовании
в составе СЭЭС фильтрокомпенсирующего устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жук А.К., Запальский В.Н., Трибулькевич
С.Л. Несинусоидальность напряжения в ЭЭС
морских сооружений с полупроводниковыми
преобразователями // Материалы конференции
«Силовая электроника и энергоэффективность».
СЭЭ’200 – Электротехника, 2006. – С. 136-141.
2. IEC, Std. 61000-4-7. General Guide on
Harmonics and Interharmonics Measurement for
Power Supply System and Equipment Connected
Thereto.
3. IEC, Std. 61000-4-30. Testing and
Measurement Techniques – Power Quality
Measurement Methods.
4. Lloyd’s Register of Shipping 1996, part 6,
Electrical Engineering. Rules and Regulations for the
Classification of Ships.
5. Janusz Mindikovski, Mariusz Szweda, Tomasz
Tarasiuk Voltage and frequency deviation in
exemplary ships. Electrical Power Quality and
Utilization, Magazine Vol.1, №2, 2005, р. 61-68
6. Запальский В.Н. Спектральный анализ токов и напряжений автономных электроэнергетических систем // Вісник Кременчуцького
державного політехнічного університету імені
Михйла Остроградського. – Кременчук: КДПУ,
2008. – Вип. 6/2007 (47) Ч.2. – С. 12-16.
Стаття надійшла 30.03.2009 р.
Рекомендовано до друку д.т.н, проф.
Сінчуком О.М
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2009 (56). Частина 2
189
ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ
Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2009 (56). Частина 2
190