QUALITY MONITORING OF THE ELECTRIC ENERGY AT SUBSTATIONS OF SEAPORT
Authors:
1.
Murmansk State Technical University
2.
Murmansk State Technical University
3.
Murmansk State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 108
to 115
Status:
Published
Received:
20.02.2017
Accepted:
25.02.2017
Published:
25.02.2017
Subject area:
UDK 621.3.048:621.315.61
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
substations, electric network, the quality of electric power, port cranes, harmonic components of current and voltage
Abstract (English):
The need to solve the problem of power quality assessment in distribution networks, to identify the harmonic structure and to develop the methods of voltage harmonic compensation was justified. Quality control of electric power at substations of commercial port was made in the process of port cranes’ work at the coal loading. The points of connection were racks of typical substations supplying the equipment of cranes. The tests of electrical networks, converters, rack equipment of transformer substations with 0.4 kV feeding port cranes of "Sokol-54" and "Aist-21" types, with relay converters and frequency control converters of the powerful electric drive are of particular interest. During the tests, evaluation of the quality of electric energy in the limited time intervals was carried out, as well as short-term (instantaneous) electric network parameters were recorded. It was found that the work of high-power converters has a direct impact on the quality of electric power of typical substation. On the basis of obtained data a number of recommendations to improve the quality of electricity in the distribution network of port cranes were proposed. In order to evaluate the quality of electric power in the distribution network of the fleet infrastructure facilities the use of modern devices that can detect the cause and location of devices that violate the quality of electromagnetic compatibility is provided.
The need to solve the problem of power quality assessment in distribution networks, to identify the harmonic structure and to develop the methods of voltage harmonic compensation was justified. Quality control of electric power at substations of commercial port was made in the process of port cranes’ work at the coal loading. The points of connection were racks of typical substations supplying the equipment of cranes. The tests of electrical networks, converters, rack equipment of transformer substations with 0.4 kV feeding port cranes of "Sokol-54" and "Aist-21" types, with relay converters and frequency control converters of the powerful electric drive are of particular interest. During the tests, evaluation of the quality of electric energy in the limited time intervals was carried out, as well as short-term (instantaneous) electric network parameters were recorded. It was found that the work of high-power converters has a direct impact on the quality of electric power of typical substation. On the basis of obtained data a number of recommendations to improve the quality of electricity in the distribution network of port cranes were proposed. In order to evaluate the quality of electric power in the distribution network of the fleet infrastructure facilities the use of modern devices that can detect the cause and location of devices that violate the quality of electromagnetic compatibility is provided.
Keywords:
substations, electric network, the quality of electric power, port cranes, harmonic components of current and voltage
substations, electric network, the quality of electric power, port cranes, harmonic components of current and voltage
Состояние проблемы Согласно ГОСТ 32144-2013, под качеством электрической энергии понимается степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей качества энергии [1]. Качество электроэнергии - одна из важнейших характеристик действия электрической сети электроэнергетических систем [1-4], которое принято характеризовать различными показателями: отклонения напряжения от номинального значения, длительные отклонения частоты от номинального значения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и тока и т. д. Изменение качества электроэнергии влияет на эффективность работы оборудования, электротехнические, светотехнические, тепловые, механические характеристики приемников энергии. Недостаточное качество электроэнергии влияет на электромагнитную совместимость электрического оборудования, средств автоматизации и сигнализации, в частности, гармонические составляющие напряжения по цепям питания должны иметь значение коэффициента Ku несинусоидальной кривой напряжения не более 10 %, а фильтрация гармонических составляющих должна обеспечиваться специальными фильтрами [2]. Применение полупроводниковых преобразователей электрической энергии, мощность которых соизмерима с мощностью электроэнергетической системы или подстанции, приводит к ухудшению качества электрической энергии, что оказывает влияние на работу потребителей электрической энергии [4]. Таким образом, проблема оценки качества электроэнергии в распределительных сетях, выявления гармонического состава и разработки методов компенсации гармоник напряжения является актуальной. Методы и результаты исследования Контроль качества электрической энергии на подстанциях торгового порта производился в процессе работы портовых кранов при погрузке угля. Точками подключения являлись стойки типовых подстанций, питающие оборудование кранов. Испытания производились с помощью приборов Metrel 2592 и Metrel 2892, предназначенных для анализа качества электрической энергии и регистрации показателей качества электрической энергии одно- и трехфазных систем энергоснабжения. Приборы фиксируют 524 различных параметра качества электроэнергии, в том числе установленные ГОСТ [1]: регистрация провалов, перенапряжений и прерываний; отклонение частоты; доза фликеров; отклонения напряжения; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения; коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности; коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности. Дополнительно прибором измеряются активная, реактивная и полная мощности, коэффициент мощности, гармонические составляющие тока и напряжения до 50-й включительно и другие параметры. В соответствии с требованиями существующих ГОСТов возможна оценка качества электроэнергии в течение 24 часов, 1 недели или, при необходимости, произвольного интервала времени. Особый интерес представляют испытания электрических сетей, преобразователей, оборудования стоек трансформаторных подстанций 0,4 кВ, питающих портовые краны с релейными преобразователями, и преобразователей частотного управления мощным электроприводом. Для примера рассмотрим типичные результаты испытаний на подстанции при работе портовых кранов типа «Сокол-54» (релейная система управления) и «Аист-21» (управление с помощью частотного преобразователя). В процессе испытаний производилась оценка качества электрической энергии в ограниченные временные интервалы, а также снимались кратковременные (мгновенные) параметры электрической сети. На рис. 1 приведены сведения об изменении напряжения и тока фазы А, питающей кран типа «Сокол-54», в течение 10 минут испытаний во время работы крана. Рис. 1. Изменения напряжения и тока фазы А (кран «Сокол-54») Очевидно, что фазное напряжение изменяется в пределах U = 219-228 В в зависимости от величины мгновенного тока. Форма напряжения и тока фазы А приведена на рис. 2. Рис. 2. Форма мгновенных напряжения и тока фазы А (кран «Сокол-54») Видно, что мгновенные значения напряжения и тока описываются синусоидальной функцией с невыраженными отклонениями, т. е. наличие высших гармоник незначительно. Это подтверждается данными, приведенными на рис. 3 и в табл. 1: - коэффициент несинусоидальности напряжения ТHD U фазы А не превышает 2,9 % (фаза В - 4,3 %; фаза С - 3,3 %); - спектр гармоник содержит в основном 1-ю гармонику, а также 3-ю и 5-ю гармоники (не более 3,5 %). Рис. 3. Спектральный состав гармоник фаз А, В, С (кран «Сокол-54») Таблица 1 Параметры качества электрической энергии на фазах крана «Сокол-54» Символ Имя Фаза А Фаза В Фаза С N* Сумма U Напряжение, В 224,4 227,8 228,8 0 - I Ток, А 159,6 180,6 174,9 29,7 - F Частота, Гц 49,834 - - - - THD U THD напряжения, В 2,883 9 4,347 5 3,318 4 0,013 4 - THD U THD напряжения, % 1,286 1,910 5 1,451 8 158,72 - THD I THD тока, A 3,750 1 6,685 2 6,689 10,31 - THD I THD тока, % 2,356 6 3,713 9 3,828 46,587 - u- Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, % - - - - 1,237 2 u0 Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, % - - - - 0,108 5 i- Коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности, % - - - - 7,381 9 i0 Коэффициент несимметрии токов по нулевой последовательности, % - - - - 0,130 9 S Полная мощность, кВт 35,814 41,141 40,017 - - P Активная мощность, кВт 18,363 21,521 17,603 - - Uмакс Максимальное пиковое напряжение, В 324,00 327,40 331,10 0,100 0 - Iмакс Максимальный пиковый ток, А 260,70 275,50 267,30 57,600 - * N - нейтраль. Фазовая диаграмма токов и напряжений сети при работе крана «Сокол-54» приведена на рис. 4. Рис. 4. Фазовая диаграмма токов и напряжений сети (кран «Сокол-54») В процессе работы крана «Сокол-54» на подстанции происходит уменьшение напряжения до 4 %, искажения напряжения незначительны. На рис. 5 приведены сведения об изменении напряжения и тока фазы А крана «Аист-21» в течение 10 минут испытаний. Рис. 5. Изменения функций напряжения и тока фазы А (кран «Аист-21») Видно, что напряжение изменяется в пределах U = 214-225 В в зависимости от величины мгновенного тока. Формы мгновенной функции напряжения и тока фазы А приведены на рис. 6: мгновенные значения напряжения описываются синусоидальной функцией, но мгновенный ток - несинусоидальная функция, т. е. наличие высших гармоник значительно. Рис. 6. Форма мгновенных напряжения и тока фазы А (кран «Аист-21») Это подтверждается данными, приведенными в табл. 2: - коэффициент несинусоидальности напряжения ТHD U фазы А не превышает 2,2 % (фаза В - 3,1 %; фаза С - 3,6 %); - спектр гармоник напряжения содержит в основном 1-ю гармонику, а также 3-ю и 5-ю гармоники; - спектр гармоник тока более обширен: имеются гармоники 5 (до 60 %), 7 (до 54 %), 9 (до 10 %), 11 (до 26 %), 13 (до 17 %) (рис. 7). Таблица 2 Параметры качества электрической энергии на фазах крана «Аист-21» Символ Имя Фаза А Фаза В Фаза С N Сумма U Напряжение, В 219,7 223,0 223,4 0,1 - I Ток, А 26,4 25,5 25,8 50,1 - F Частота, Гц 49,952 - - - - THD U THD напряжения, В 2,169 3 3,127 9 3,594 5 0,031 9 - THD U THD напряжения, % 0,987 7 1,403 1,609 6 118,26 - THD I THD тока, A 14,579 15,566 16,868 4,567 - THD I THD тока, % 66,135 77,891 88,224 9,601 - u- Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, % - - - - 1,253 1 u0 Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, % - - - - 0,218 3 i- Коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности, % - - - - 4,498 7 i0 Коэффициент несимметрии токов по нулевой последовательности, % - - - - 4,650 5 S Полная мощность, кВт 5,800 1 5,686 5 5,763 7 - - P Активная мощность, кВт 4,669 4 4,317 0 4,184 8 - - Uмакс Максимальное пиковое напряжение, В 311,10 316,20 319,60 0,200 - Iмакс Максимальный пиковый ток, А 74,100 80,400 76,500 75,000 - Рис. 7. Спектральный состав гармоник фаз А, В, С (кран «Аист-21») Выводы Качественный состав электрической энергии в распределительной сети в процессе работы портовых кранов определяется особенностью систем управления кранов и прерывистыми режимами оборудования. В период работы кранов напряжение сети снижается, наблюдаются провалы напряжения, связанные с возрастающей токовой нагрузкой. На кранах, снабженных полупроводниковыми преобразователями, наблюдается повышенное содержание высших гармоник (5, 7, 11, 13), наличие которых влияет на работу преобразователя отдельных кранов и имеющихся датчиков контроля, управления электродвигателями, сигнализации кранов вследствие проблем электромагнитной несовместимости. По результатам контроля качества электрической энергии портовых кранов для улучшения гармонического состава рекомендовано применение активных фильтров и усовершенствование системы электрообеспечения, увеличение мощности распределительных подстанций, питающих портовые краны.
1. GOST 32144-2013. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemah elektrosnabzheniya obschego naznacheniya. M.: Standartinform, 2014. 16 s.
2. Ob utverzhdenii tehnicheskogo reglamenta o bezopasnosti ob'ektov morskogo transporta: Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 12 avgusta 2010 g. № 620. URL: http://base.garant.ru/199085/.
3. ND №2-020101-012. Pravila klassifikacionnyh osvidetel'stvovaniy sudov v ekspluatacii. SPb., 2015. 387 s.
4. Romanovskiy V. V., Lebedev V. I., Gostev A. G. Kachestvo elektroenergii grebnyh elektricheskih ustanovok sudov ledovogo plavaniya i ledokolov // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2014. № 6 (28). S. 56-60.
