Влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений и токов на эффективность функционирования гидроэлектростанций

Актуальность, проблемы. Одной из существенных тенденций развития мировой электроэнергетики последних десятилетий, влияющих на эффективность функционирования электроэнергетических систем, является снижение качества электроэнергии (КЭ). Это вызвано активным внедрением специфичной, выпрямительной нагрузки, имеющей нелинейную вольтамперную характеристику, такой как частотно — регулируемый привод, ветроэнергетические установки, электронные выпрямительные устройства и др., несимметричной нагрузки. Здесь и далее по тексту в качестве искажений КЭ рассматриваются искажения синусоидальности кривой напряжения и симметрии трехфазной системы напряжений. Эти свойства оказывают существенное воздействие на надежность и эффективность электроэнергетических систем. При этом во всех работах, посвященных КЭ, негативное воздействие искажений КЭ* рассмотрено применительнок электрическим, сетям и промышленным предприятиям, а их влиянию на гидроэлектростанции-1 уделено недостаточно внимания.

В настоящее время, в. России, идет процесс физического приближения энергоемких производств, прежде всего предприятий цветной металлургии, к источникам относительно дешевой электроэнергии (гидроэлектростанциям). Примером такой станции является Братская ГЭС, напрямую выдающая мощность на Братский" алюминиевый завод (БрАЗ). Возводится Богучанская ГЭС, и большая" часть электроэнергии, произведенной на этой" станции, будет потребляться* строящимся «рядом* со' станцией* алюминиевым заводом. На юге Амурской области идет выбор местадля будущего завода цветной металлургии такимобразом, чтобы его максимально^ приблизитьк Бурейской ГЭС. Следовательно, существуют гидроэлектростанции основными потребителями, которых являются» предприятия с нагрузкой, являющейся нелинейной и несимметричной, и количество таких станций в перспективе будет только увеличиваться. Исходя из вышесказанного, проанализировать уровень искажений КЭ на гидроэлектростанциях и оценить технические и экономические последствия, вызванные такими искажениями, становится актуальным.

Техническая проблема. Искажения КЭ приводят к снижению эффективности функционирования гидроэлектростанций, заключающемуся в:

— нарушении достоверности учета электроэнергии;

— возникновении дополнительных потерь в силовом оборудовании;

— сокращении" срока службы изоляции, а следовательно, и срока функционирования основного оборудования;

— снижении надежности выдачи электроэнергии и мощности с шин электростанции.

Влияние искажений КЭ на функционирование электроэнергетических систем с акцентом на сети и промышленные предприятия рассмотрено в трудах таких авторов как: И. В. Жежеленко, Ю. Л. Саенко, Д. Арриллага, Д. Бредли, П. Боджер, В .Г. Курбацкий, А. К. Шидловский, В. Г. Кузнецов, и др. Вопросы надежности* рассмотрены в работах Фокина Ю. А., Острейковского1 В.А., Китушина В. А., Трубицина В. И. и др: Сегодня возникла необходимость развить в отношении гидроэлектростанций, изложенные в трудах указанных авторов идеи, и разработать инструментарий для количественной оценки степени эффективности функционирования гидроэлектростанций в условиях низкого КЭ.

Объект исследований — гидроэлектростанция в составе основного электротехнического оборудованияустановленного на ней и системы учета электроэнергии. Указанное оборудование можноклассифицировать следующим образом:

1. Генерирующий тракт:

— гидрогенераторы, представленные синхронными явнополюснными машинами, приводимые в движение турбинами различных типов;

— блочные силовые трансформаторы с различными системами охлаждения;

2. Агрегатные собственные нужды:

— асинхронные (около 80% от всего оборудования данной группы) и синхронные (10%) двигатели, обеспечивающие работу лекажного и дренажного насосов, моторных задвижек, насосов масло напорных установок.

— осветительная и прочая нагрузка (10% данной группы);

3. Общестанционные собственные нужды: асинхронные двигатели (70%), обеспечивающие работу вентиляционных установок, дренажных насосных;

— осветительная нагрузка (15%);

— специфическая нагрузка (5%);

— прочая нагрузка (10%).

4. Системы учета электроэнергии:

— измерительные трансформаторы тока;

— измерительные трансформаторы напряжения;

— счетчики электрической энергии;

— устройства сбора и передачи данных.

Предмет исследований — воздействие несинусоидальности и несимметрии напряжений и токов на эффективность функционирования основного электротехнического оборудования и достоверность систем учета электроэнергии гидроэлектростанций.

Цель работы — разработка инструментария, позволяющего найти область эффективного функционирования определенной гидроэлектростанции при наличии искажений КЭ.

Задачи исследования:

1) Анализ уровня искажений КЭ на гидроэлектростанциях в зависимости от места их нахождения, состава питаемой нагрузки, особенностей работы.

2) Определение влияния искажений КЭ на достоверность учета электроэнергии.

3) Выявление дополнительных потерь электроэнергии в основном электротехническом оборудовании гидроэлектростанции, вызванных искажениями КЭ и анализ их структуры.

4), Количественная оценка влияния искажений КЭ на срок службы изоляции и надежность функционирования электроустановок.

5) Определение области эффективного функционирования гидроэлектростанции в зависимости от уровня искажений КЭ и выдаваемой мощности.

Основная идея, диссертации — на основе математических моделей тока, напряжения и сопротивления, учитывающих наличие искажений КЭ, разработаны методики для инженерной оценки их влияния на эффективность функционирования основного оборудования электрических станций, и достоверность системы учета электроэнергии. Такой подход позволит единообразно описать процессы, протекающие в электротехническом оборудовании при^наличии искажений КЭ:

Математические методыиспользованные в диссертации: классический математический" аппарат, — разработанный для проектирования электрических машин;

— методы теории вероятности;

— методы статистических испытаний;

— методы классической алгебры.

Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положениями результаты, выносимые на защиту:

Методика расчета результирующей^ погрешности} измерительного комплекса электроэнергии^ и, систем учета, электроэнергии в целом, учитывающая наличие искажений КЭ в сети.

2) Методики расчета дополнительных. потерь электроэнергии, вызванных искажениями! КЭ" в. основном^ оборудовании гидроэлектростанций, позволяющие. в, отличие от существующих, найти не. только-суммарные потери, но, и анализировать структуру потерь в конкретной электроустановке.

3) Уточненная модель, интенсивности отказа, электроустановки, позволяющая определять как внезапные, так и постепенные отказы и их изменения во времени. Отличием предложенной модели от существующих является то, что она учитывает наличие искажений КЭ в сети.

4) Критерий эффективности функционирования для оценки надежности работы гидроэлектростанции, позволяющий выразить в едином денежном эквиваленте комплексное воздействие внешнего фактора (искажения КЭ) на технико-экономические показатели функционирования электростанции.

5) Границы эффективного функционирования конкретной гидроэлектростанции, позволяющие экономически обоснованно подходить к определению мероприятий, необходимых для, нормализации КЭ.

Значение для теории полученных результатов заключается в развитии методов оценки влияния искажений КЭ на работу силового оборудования и систем учета электроэнергии, а так же в разработке на их основе комплексного критерия, характеризующего эффективность функционирования гидроэлектростанции в целом при наличии искажений КЭ:

Значение для-практики:

Внедрение в эксплуатационную практику предлагаемых методов оценки эффективности функционирования гидроэлектростанции, учитывающих наличие искажений КЭ в сети, позволит существенно повысить их экономическую эффективность. Это даст возможность экономически обоснованно подходить, к управлению КЭ на определенной гидроэлектростанции в реально существующих условиях.

Достоверность полученных" результатов доказывается результатами замеров КЭ, проведенных специалистами сертифицированной* лаборатории КЭ ОАО «ДРСК», натурными экспериментами и верификационными-расчетами. Верификационные расчеты подтвердили адекватность предложенных выражений длярасчета дополнительных потерь электроэнергии в электрических машинах и силовых трансформаторах. Так же было показано наличие корреляции между уровнем искажений КЭ и уровнем повреждаемости электротехнического оборудования, что подтверждает влияние искажений КЭ на срок службы изоляции и надежность работы основного электротехнического оборудования, в том числе, и установленного на гидроэлектростанции.

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе в двух журналах, рекомендованных ВАК («Электрические станции», «Электричество»), в сборнике трудов международной конференции в Польше, в рецензируемых изданиях, в трудах всероссийских конференций.

Личный^ вклад автора — все выносимые на защиту результаты получены автором совместно с научным руководителем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (90 источников), общим объемом 178 страниц и пяти приложений.

4.3. Выводы.

1. Уточнена модель надежности элементов электрической станции, учитывающая значения! ПКЭ, которая позволяет связать надежность отдельных элементов и электростанции* в целом с уровнем искажений КЭ.

2. Показано, что искажения, КЭ приводят к"снижению надежности выдачи электроэнергии с шин гидроэлектростанции.

3. Предложен критерий эффективности функционирования гидроэлектростанции, учитывающий технические последствия работы основного оборудования гидроэлектростанции при наличии искажений КЭ.

4. Построены зоны, характеризующие эффективность функционирования гидроэлектростанции, на примере Зейской ГЭС, в зависимости от уровня искажений КЭ и загрузки электростанции.

Заключение

.

Влияние искажений синусоидальности и симметрии токов и напряжений на эффективность функционирования гидроэлектростанций в условиях рыночных отношений значительно возросло, что обусловлено увеличением конкуренции между генерирующими компаниями, возникшими при реформировании электроэнергетической отрасли. Кроме того, значимость такого влияния усиливает общемировая тенденция к ухудшению КЭ, что вызвано активным внедрением специфичной, выпрямительной нагрузки, имеющей нелинейную вольтамперную характеристику, увеличением мощности несимметричных электроприемников. Исследование вопросов воздействия КЭ на функционирование гидроэлектростанций позволило получить следующие результаты и выводы. разработана методика расчета погрешности измерительных трансформаторов тока и напряжения при наличии искажений КЭ, позволяющая выделить долю погрешности, вносимую искажениями КЭ;

— показано, что наиболее чувствительным к искажениям КЭ элементом измерительных комплексов-, является емкостной трансформатор напряжения, из-за того, что такие трансформаторы, настраиваются на промышленную частоту;

— доказано, что искажения КЭ могут приводить к появлению отрицательной результирующей погрешности в работе систем технического и коммерческого учета электроэнергии;

— разработаны методики расчета дополнительных потерь, электроэнергии в гидрогенераторах идругих элементах электростанции, вызванных искажениями КЭ. Данные методики позволяют анализировать. структуру потерь в электрических машинах, что выгодно отличает ее от существующих подходов, так как* позволяет более* детально * оценивать дополнительные местные нагревы;

— доказано, что искажения КЭ4 приводят к сокращению срока службы изоляции силового оборудования гидроэлектростанций, и предложены выражения для расчета такого сокращения;

— получена уточненная модель интенсивности отказов элементов электрической станции, учитывающая влияние искажений КЭ. Использование данной модели позволяет анализировать структурную надежность выдачи электроэнергии с шин гидроэлектростанции во всех возможных режимах при разной степени искажения КЭ;

— предложен комплексный критерий эффективности функционирования гидроэлектростанции, позволяющий увязать технические проблемы функционирования оборудования при наличии искажений КЭ с экономическими последствиями работы в таких условиях. показано, что использование данного критерия позволит гидроэлектростанциям снижать собственные издержки и увеличивать прибыль путем управления КЭ, а значит увеличивать собственную конкурентоспособность в условиях формируемого сегодня в стране свободного рынка электроэнергии и мощности.

— разработан инструментарий, позволяющий определить границу эффективного, функционирования гидроэлектростанции при наличии искажений КЭ в зависимости от вырабатываемой в данный момент мощности. Выход за ее пределы будет означать для станции увеличение эксплуатационных издержек и, соответственно, снижение прибыли. Данная граница дает возможность обоснованно подходить к разработке мероприятий по обеспечению и нормализации КЭ на определенной станции в реально существующих условиях.