// Электрика. – 2006. – № 8.– С.29-34.

К проблеме независимости источников питания для предприятий с непрерывными технологическими процессами

В.В. Прокопчик, Ю.Д. Головач, А.Н. Приходько

Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого

К.А. Лобань, И.В. Сафонов

ОАО "Гродно Азот"

Передача электроэнергии от районных подстанций и электростанций энергосистемы к потребителям по воздушным ЛЭП 110-750 кВ неизбежно связана с кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) потребителей (в виде провалов и исчезновений напряжения), которые возникают из-за КЗ и грозовых повреждений ЛЭП. Во всех странах проблемы воздействия КНЭ на работу потребителей становится всё более острой во всех странах по мере усложнения технологических процессов предприятий и в связи с их автоматизацией.

Традиционные схемные решения – две питающие ВЛ, два трансформатора ГПП, два трансформатора на уровне цеховых подстанций с автоматикой (АПВ, АВР) – считались достаточными для надёжного электроснабжения потребителей. Однако с развитием технологий появились потребители, высокочувствительные к помехам по цепи питания. Отключение КЗ на ВЛ осуществляется за 0,12 0,30 с, но за это время происходят сбои в работе управляющих систем, нарушения работы электропривода и др., что приводит к остановкам непрерывных технологических процессов.

Подобная ситуация имеет место и на рассматриваемом ОАО "Гродно Азот" – предприятии с особо сложным технологическим процессом, непрерывные производства которого аварийно останавливаются полностью или частично 5–7 раз в год из-за аварий в электрических сетях РУП "Гродноэнерго". Схема внешнего электроснабжения ОАО "Гродно Азот" приведена на рис.1.

Для электроснабжения используются четыре главные понизительные подстанции (ГПП 0-1, 0-2, 0-3, 0-4) с трансформацией 110/6 кВ и восемь линий от распределительных устройств 110 кВ ТЭЦ энергосистемы и двух районных подстанций (ОРУ 330 кВ и 220 кВ на схеме показаны условно). Распределение электроэнергии по территории предприятия осуществляется кабелями на напряжении 6 кВ. Электроприемники особой группы I категории (РП-60 и РП-115) запитаны кабелями от шин генераторного напряжения ТЭЦ. На предприятии работают собственные источники – генераторы мощностью 6 МВт и 2x2,5 МВт, включённые на шины 6 кВ цеховых подстанций (на рис.1 показан ТГ 6 МВт РП-115). Характерной особенностью схемы энергоузла является многократное резервирование, параллельная работа линий напряжением 110 кВ и жёсткая взаимная связь между центрами питания.

Наибольшую проблему для электроприёмников непрерывных технологических процессов предприятия представляют внешние провалы напряжения, возникающие при повреждениях в электрических сетях энергосистемы. Реактанс сети 110 кВ сравнительно невелик, и при КЗ на любой из линий происходит провал напряжения, который беспрепятственно трансформируется на все уровни системы электроснабжения.

Для повышения качества электроснабжения потребителей и анализа аварийных ситуаций в последние годы на подстанциях энергосистем и предприятий Беларуси активно внедряют цифровые системы электрического мониторинга (ЦСЭМ) как питающих линий, так и систем электроснабжения предприятий. ЦСЭМ как новое поколение средств измерения и контроля, позволяют поднять качество и информативность измерений на более высокий уровень. Одной из функций ЦСЭМ является регистрация (осциллографирование) переходных процессов, которая дает возможность зафиксировать параметры предаварийного и аварийного режимов, т.е. выполнить своего рода пассивный эксперимент. В рассмартивамой системе электроснабжения цифровые регистраторы установлены на всех центрах питания энергосистемы (ТЭЦ, районные ПС 1, 2), а также на всех ГПП предприятия, РП-60 аварийного электроснабжения и всех заводских турбогенераторах.

Оснащение предприятия регистраторами аварийных событий позволило за период с 04.05.2000 г. по 31.12.2004 г. зафиксировать 57 осциллограмм кратковременных нарушений электроснабжения, которые вызывали аварийную остановку непрерывных технологических процессов (различных по ущербу для предприятия). Для выявления основных параметров КНЭ была проведена математическая обработка всех полученных осциллограмм. Кроме того, для более полного анализа свойств схемы внешнего электроснабжения ОАО "Гродно Азот" (по наличию двух независимых источников питания) для главных понизительных подстанций и подстанции аварийного электроснабжения выполнен вычислительный эксперимент (расчет электромагнитных переходных процессов при повреждениях в электрической сети 110 кВ).

Рассмотрим характерное для сети с воздушными ЛЭП реальное аварийное событие (произошло 04.06.2003 г.): КЗ на ВЛ-110 кВ № 2 (см. рис. 1) с отключением защитой через 0,2 с. Ниже приведены результаты совместной обработки осциллограмм этого события, полученных регистрирующими устройствами как энергосистемы, так и промышленного предприятия.

Осциллограмма напряжений на шинах 110 кВ Районной ПС2 и токов ВЛ-110 кВ № 2 (рис. 2) позволяет идентифицировать повреждение как двухфазное КЗ фаз А и С на линии. Данный режим показывает, что КЗ во внешней сети 110 кВ вызывает провалы напряжения глубиной 39–57 % как на вводах 6 кВ обоих трансформаторов всех ГПП, так и на подстанции аварийного электроснабжения (на рис. 2 представлены осциллограммы напряжений 1-й и 4-й секций 6 кВ ГПП 0-1, 1-й и 3-й секций 6 кВ ГПП 0-2, 1-й и 2-й секций 6 кВ РП-60). Провал беспрепятственно трансформируется с уровня 110 кВ на уровень 6 кВ (остаточные напряжения на шинах 110 кВ ПС1 и ТЭЦ равны 0,50–0,54 от доаварийных значений, на вводах 6 кВ ГПП – 0,43–0,61).

Основной целью расчётного анализа переходных режимов с помощью программного комплекса ТКЗ-3000 являлась оценка остаточных напряжений (провалов напряжения) при трёхфазных, однофазных и междуфазных КЗ в следующих расчетных точках (см. рис.1). Рассматривали схему нормального режима энергосистемы при максимальном и минимальном составах работающих генераторов ТЭЦ, учитывали подпитку точки КЗ высоковольтными электродвигателями и генераторами заводских ТЭЦ. В таблице представлены результаты расчётов напряжений при всех видах поперечной несимметрии в расчётных точках

Сводная таблица результатов расчёта на вводах 110 кВ трансформаторов ГПП

и вводах 6 кВ РП-60 при коротких замыканиях в сети 110 кВ энергосистемы

Место КЗ, режим	Вид КЗ	Остаточные напряжения, о. е.
		ГПП 0-1		ГПП 0-2		ГПП 0-3		ГПП 0-4		РП-60
		Т1	Т2	Т1	Т2	Т1	Т2	Т1	Т2	с1	с2
Максимальный режим: Шины 110 кВ ТЭЦ	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,01	0,01	0,60	0,01	0,01	0,01	0,01	0,23	0,42	0,40
	К^<1>	0,01	0,01	0,69	0,01	0,01	0,01	0,06	0,35	0,70	0,70
Шины 110 кВ ПС2	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,12	0,12	0,48	0,12	0,12	0,12	0,13	0,01	0,49	0,47
	К^<1>	0,30	0,30	0,61	0,30	0,30	0,30	0,31	0,09	0,75	0,75
Шины 110 кВ ПС1	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,54	0,54	0,03	0,54	0,54	0,54	0,54	0,47	0,74	0,73
	К^<1>	0,67	0,67	0,17	0,67	0,67	0,67	0,68	0,59	0,83	0,82
Минимальный режим: Шины 110 кВ ТЭЦ	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,01	0,01	0,60	0,01	0,01	0,01	0,01	0,23	0,36	0,08
	К^<1>	0,01	0,01	0,69	0,01	0,01	0,01	0,06	0,35	0,69	0,57
Шины 110 кВ ПС2	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,08	0,08	0,48	0,08	0,08	0,08	0,09	0,01	0,41	0,15
	К^<1>	0,24	0,24	0,60	0,24	0,24	0,24	0,26	0,08	0,72	0,60
Шины 110 кВ ПС1	К^<3>, К^<2>, К^<1,1>	0,47	0,47	0,03	0,47	0,47	0,47	0,47	0,43	0,67	0,50
	К^<1>	0,61	0,61	0,16	0,61	0,61	0,61	0,62	0,56	0,83	0,73

Обработка осциллограмм аварийных событий, имевших место в 2000–2004 гг., а также результаты математического моделирования серии режимов позволяют отметить следующее.

•При повреждениях в сетях энергосистемы происходит провал напряжения на обоих источниках питания. Остаточные напряжения на ГПП предприятия составляют от 0,36U_Н (3СШ 6 кВ ГПП 0-4) до 0,77U_Н (3СШ 6 кВ ГПП 0-3), на секциях шин 6 кВ РП-60 не превышают 0,59U_Н. Вычислительный эксперимент подтверждает результаты "пассивного" эксперимента.

•В аварийных режимах любые повреждения в сетях 110 кВ энергосистемы приводят к провалам напряжения сверх допустимых значений как по основному, так и по резервному источникам питания всех ГПП предприятия.

•В минимальном режиме энергосистемы (включён один генератор ТЭЦ) уровень остаточных напряжений понижается, что особенно существенно для потребителей РП-60.

•Провалы напряжения в сети 110 кВ трансформируются на сторону 6 кВ ГПП непропорционально, поскольку здесь имеет место различная величина подпитки от двигательной нагрузки. Влияние высоковольтных электродвигателей и собственных заводских генераторов как дополнительных источников, подпитывающих точку КЗ, можно оценить как весьма существенное для узлов внутризаводской сети 6 кВ и незначительное для узлов схемы 110 кВ (не более 0,05–0,1U_ОСТ).

При рассмотрении системы внешнего электроснабжения ОАО "Гродно Азот" обычно выделяют два источника питания в виде систем шин 110 кВ: I СШ ТЭЦ (ИП1); II СШ ТЭЦ, районные ПС1, ПС2 (ИП2). Третьим источником питания для потребителей особой группы I категории является ГРУ-6 кВ ТЭЦ (ИП3). Однако в нормальной схеме энергосистемы шины 110 кВ всех питающих узлов жёстко связаны (включены на параллельную работу) линиями 110 кВ либо выключателями распредустройств. Приведённый выше анализ позволяет сделать вывод, что в аварийных режимах энергосистема представляет для ОАО "Гродно Азот" только один источник питания, так как любые повреждения в питающей сети приводят к провалам напряжения сверх критических значений как по основному, так и по резервному источникам питания. Следствием этого является полная либо частичная остановка непрерывных технологических процессов предприятия. Отсутствует для потребителя и третий взаимно резервирующий источник питания, так как на шинах 6 кВ генераторного напряжения ТЭЦ при повреждениях в энергосистеме имеют место такие же провалы напряжения, как и на шинах 6 кВ подстанций предприятия. Это означает невыполнение требований ПУЭ* [1] о создании для предприятия с особо сложным технологическим процессом двух независимых источников питания (п. 1.2.10) и третьего независимого взаимно резервирующего источника питания для электроприёмников особой группы I категории (п. 1.2.18).

Если обратиться к нормативным документам [2–5], регулирующим отношения потребителей с энергоснабжающими организациями, можно отметить, что в 80-е годы прошлого столетия проблема КНЭ потребителей рассматривалась энергосистемами как проблема действия релейной защиты и автоматики в системе электроснабжения предприятия, и её связь с системой внешнего электроснабжения не учитывалась. Так в [2] утверждается, что "… расстройства технологического процесса промышленных предприятий после кратковременных снижений напряжения при КЗ … являются следствием неправильного использования и неудовлетворительной настройки защиты минимального напряжения и магнитных пускателей в сетях потребительских установок … При наличии совершенной релейной защиты, а также в результате успешного действия АПВ и АВР должны исключаться нарушения электроснабжения при кратковременных перерывах питания и снижениях напряжения".

Однако решение задач обеспечения электроснабжения современных технологических процессов (с ростом автоматизации, применением регулируемого электропривода, микропроцессорных систем управления и компьютеризацией инженерного труда) привело к осознанию, что КНЭ объективно присущи современной системе производства и транспорта электроэнергии. При этом можно отметить, что если в стандарте на качество электроэнергии (ГОСТ 13109–87) такой показатель КНЭ как провал напряжения и его характеристики (глубина и длительность) отсутствовали, то уже в новой редакции этого стандарта (ГОСТ 13109–97) они появились, хотя и без нормативных значений [3].

Проблема ограничения воздействия КНЭ на работу потребителей с непрерывными технологическими процессами остро стоит не только в Беларуси, но и в России, и в других странах. В центре внимания находится понятие независимости источников питания либо его трактовка. П. 1.2.10 ПУЭ содержит определение: "независимым источником питания электроприемника или группы электроприемников называется источник питания, на котором сохраняется напряжение в пределах, регламентированных настоящими Правилами для послеаварийного режима, при исчезновении его на другом или других источниках питания этих электроприемников.", а п. 1.2.21 [1] указывает, что "для электрических сетей следует предусматривать технические мероприятия по обеспечению качества напряжения электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109–67 "Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения". В Беларуси действует ГОСТ 13109–97 (Межгосударственный стандарт) "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" [3], в котором определены значения допустимых установившихся отклонений и колебаний напряжения.

В п. 1.2.18 ПУЭ также указано, что "Электроснабжение электроприемников I категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление рабочего режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования (выделено нами), определяемые особенностями технологического процесса" [1], но эти дополнительные требования ПУЭ не конкретизируют.

В трактовке ВНИПИ Тяжпромэлектропроект [4] такими могут быть требования:

- к значению остаточного напряжения на резервирующем источнике питания при КЗ на резервируемом (не менее 0,6U_ном);

- к отключению всех повреждений, сопровождающихся посадкой напряжения на шинах источника питания ниже 0,6U_ном без выдержки времени (п. 3.2.108 ПУЭ);

- к автоматическому отделению электростанции, используемой в качестве одного из источников, вместе с соответствующей нагрузкой от энергосистемы при тяжелых системных авариях и работе этого узла в автономном режиме…".

В другом документе [5], выполненном как Руководящие указания по проектированию, авторы вносят следующее дополнение в определение ПУЭ: "…независимость источников питания определяется по послеаварийному режиму, безотносительно к уровням напряжения на источниках питания в аварийном режиме. Для электроприемников промышленных предприятий с НТП следует учитывать, что в аварийном режиме может иметь место взаимная зависимость источников питания. Два или несколько источников питания можно считать независимыми по аварийному режиму при отсутствии электрической связи между ними…".

В то же время современные технические стандарты [6–9] на оборудование содержат требования к уровням электрических помех, отличающиеся от требований [3]. Например, для электрооборудования производственных машин провал напряжения не должен превышать 20 % максимального (пикового) напряжения питания более чем один период, а для электронных вычислительных машин – 0,3U_ном длительностью 10 периодов (200 мс). Такие требования к электромагнитным помехам делают невозможным переключение на резервное питание при одновременных провалах напряжения по основному и резервному источникам, т.е. такое оборудование предъявляет требование независимости источников питания как в нормальном, так и в аварийном режимах.

Таким образом, ПУЭ не дает исчерпывающую характеристику независимости источников питания потребителей, и в действующих нормативных документах содержатся противоречивые сведения. Применение их при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных объектов обуславливает возможные нарушения бесперебойной работы предприятий при большинстве КНЭ.

Локализация кратковременных нарушений внешнего электроснабжения промышленных предприятий может быть достигнута только комплексным применением специальных схемных решений в сетях энергосистемы и различных способов и устройств управления режимами работы электрооборудования, на всех уровнях систем электроснабжения. Среди мероприятий, проводимых в энергосистеме, наиболее эффективны повышение надёжности коммутационной аппаратуры, установка современных выключателей, применение быстродействующих защит.

В рассматриваемой системе электроснабжения время локализации коротких замыканий (следовательно, и длительности КНЭ) доведено до 120–200 мс (см. осциллограммы переходных процессов). Снижение глубины КНЭ возможно путём существенного изменения конфигурации схемы сложнозамкнутой электрической сети 110 кВ. Найдено перспективное схемное решение, в котором секционирование источников питания и сооружение дополнительных участков сети позволит создать схему с двумя независимыми кольцами 110 кВ. При его реализации уровень остаточных напряжений на источниках питания при КЗ на других источниках составит 0,85–0,89U_ном.

Мероприятия в системе электроснабжения предприятия главным образом направлены на уменьшение чувствительности электроустановок к помехам со стороны питания и повышение устойчивости узлов нагрузки. Для ответственных потребителей применяют агрегаты бесперебойного питания.

Для многих промышленных предприятий, имеющих значительную часть нагрузки в виде электроприёмников I категории (обеспечивающих работу непрерывных производств), целесообразно сооружение собственного генерирующего источника в виде заводской ТЭЦ [10], применение которого в современных условиях может быть выгодно и экономически оправданно. Вычислительный эксперимент с включением в схему (см. рис. 1) двух ГТУ 16 МВт и питанием потребителей на генераторном напряжении показал, что генерирующие мощности в сетях среднего и низкого напряжения позволяют демпфировать у потребителей возмущения от КЗ в питающей сети высокого напряжения. Увеличение остаточных напряжений на секциях шин 6 кВ, электрически связанных с генераторами, находится в диапазоне 11–60 %. Это может означать сохранение в работе многих электроприёмников, чувствительных к аварийным провалам напряжения.

Предлагаемый подход к повышению качества электроснабжения предприятий заключается в оптимизации схем внешнего электроснабжения и режимов работы сетей энергосистемы, а также в применении на предприятиях специальных средств противоаварийной автоматики и собственных источников, что позволяет снизить глубину и длительность КНЭ у потребителей со стороны источников питания и повысить устойчивость узлов нагрузки к возмущающим воздействиям.

Выводы

1. В реальных условиях функционирования систем внешнего электроснабжения промышленных предприятий часто фактически не выполняются требования ПУЭ о независимости источников питания. В результате этого имеют место нарушения бесперебойности электроснабжения потребителей с непрерывными технологическими процессами.

2. Решение проблемы устойчивости потребителей к КНЭ может быть только комплексным, т.е. требующим проведения противоаварийных мероприятий как в энергосистеме, так и на промышленном предприятии.

3. Действующие нормативные документы содержат противоречия в трактовке понятия независимости источников питания для потребителей и нуждаются в совершенствовании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. 549 с.

2. Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем: (Электротехническая часть)/ Минэнерго СССР. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 632 с.

3. ГОСТ 13109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.08.99. Меж. гос. совет по стандарт., метрологии и сертификации. Мн.: Изд-во стандартов, 1999. 31 с.

4. Обеспечение бесперебойности электроснабжения производств с непрерывным технологическим процессом. Рекомендации по совершенствованию проектирования//ВНИПИ Тяжпромэлектропроект. Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. М.: Энергоатомиздат, 1990, № 2. С. 3–28.

5. Руководящие указания по выбору комплекса мероприятий, направленных на бесперебойную работу промышленных предприятий при нарушениях электроснабжения // Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок. М.: ВНИПИ Тяжпромэлектропроект, 2000, № 3, С. 4–33; № 4. С. 3–17.

6. ГОСТ 21021–2000. Межгосударственный стандарт. Устройства числового программного управления. Общие технические требования. Мн.: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001. 16 с.

7. ГОСТ 26642–85. Устройства числового программного управления для металлообрабатывающего оборудования. Внешние связи со станками. М.: Изд-во стандартов, 1986. 15 с.

8. ГОСТ Р 50628–2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость машин электронных вычислительных персональных к электромагнитным помехам. Требования и методы испытаний. М.: Госстандарт России, 2000. 8 с.

9. ГОСТ 27487–87. Электрооборудование производственных машин. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1988. 95с.

10. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности работы электрооборудования предприятий с непрерывным технологическим процессом. Гомель: ГГТУ им. П.О Сухого, 2002. 283 с.

Рис.1. Схема внешнего электроснабжения потребителей ОАО "Гродно Азот"

Рис.2. Осциллограммы токов линии (кА) и напряжений (кВ) на объектах системы электроснабжения при двухфазном КЗ на ВЛ-110 кВ № 2.

---

* От ред. Отметим использование в Беларуси ПУЭ 1998 г., в то время как в России в настоящий момент пользуются изданием 200…г.