Влияние плазменного трехфазного сериесного реактора на сети электроснабжения

Мир не стоит на месте, а с ним развивается и вся инфраструктура, что приводит к увеличению нагрузок на энергосеть. Нагрузка же подразделяется на нелинейную, несимметричную и резкопеременную (ударную), это, в свою очередь, приводит к увеличению электромагнитных помех (далее – ЭМП). ЭМП создают негативное влияние на силовые установки, автоматику, релейную защиту и на электрооборудование, в свою очередь также создающее ЭМП. Все это так или иначе приводит к ухудшению качества электроэнергии, ее потерям и снижению надежности электроснабжения [1].

Рассмотрим воздействие ЭМП на электротермические установки. Для правильной работы электротермической установки требуются заданные параметры тока, напряжения, температуры в реакторе, угла управления и др., зависящие от таких параметров, как вид, область применения, конструктивные особенности самой установки и технологического процесса, качества электроэнергии. Фактором, влияющим на работу и износостойкость электротермических установок, является ЭМП. При анализе данных показателей наиболее значимым является параметр, характеризующий изменение напряжение от заданного, что приводит к потерям в электросетях. Во вторую очередь оценивается отклонение частоты сети, которое критично для индукционных печей, установок со встроенными преобразователями частоты. Существенное воздействие может оказываться на установки с конденсаторами, вызванное несинусоидально-стью напряжения, которое также влияет на отклонение параметров напряжения, а колебания и просадки напряжения, напротив, оказывают несущественное влияние [1].

Реактор плазменный трехфазный сериесный (далее – РПТС) представлен на рисунке 1. Электротермическая установка с входным током до 400 А и напряжением до 500 В, подключение производится к сети 380 В, частота 50 Гц с помощью тиристорного источника питания 4. Данная установка имеет три сириесных обмотки 5, подключенные на каждую из фаз от развязывающего трансформатора 3, роль источника выполняет регулируемый тиристорный преобразователь 4, который может выдавать как переменный, так и постоянный ток [2].

Рисунок 1 – Принципиальная схема источника питания и управления РПТС:

1 – источник; 2 – автоматический выключатель; 3 – развязывающий трансформатор 380/380В;

4 - тиристорный выпрямитель постоянного тока; 5 – сериесные обмотки; 6 – реактор плазменный трехфазный сериесный; 7 – блок управления

С помощью РПТС возможно получать расплавы из золошлаков ТЭС, базальтовых пород [3] и другого вида сырья, имеющего температуру плавления примерно равную 1200 - 1300 °С, также для получения каменного литья и теплоизоляционных материалов из минерального волокна [4]. Несмотря на все плюсы данной установки, стоит учитывать электромагнитную совместимость и уровень влияния источника питания на электрическую сеть, для соблюдения норм качества электрической энергии. Для того чтобы проанализировать влияние данной установки, был проведен опыт по плавке базальта.

Целью данной работы является анализ электромагнитной совместимости РПТС с питающей сетью, возможности проектирования установки большей мощности [5], пригодной для промышленного производства.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования является установка – реактор плазменный трехфазный сериесный, выполненный на базе патента на изобретение [2]. Подключенный к электрической сети напряжением 380 В, начальный ток устанавливается 50 А [5], при данных значениях тока и напряжения происходит запуск и начало плавления. В течение 5 - 7 мин ток достигает 50 А, напряжение 220 - 240 В, следующие 20 мин работа реактора происходит в этом режиме. После необходимо увеличение тока на 20 - 30 А каждые 10 мин, снятие параметров напряжения и тока в реакторе осуществляется с вольтметров и амперметров, установленных на блоке управления РПТС. Так же осуществляется перемешивание расплава, на полностью обесточенном источнике, с последующим его запуском после перемешивания. Охлаждение установки выполнено при помощи протекания воды через охлаждающие секции реактора.

Для определения характеристик РПТС замеры производились с помощью прибора «Энергомонитор ЭМ 3.2Т1» [6]. В ходе эксперимента были получены действующие значения напряжения и тока; активная, реактивная и полная мощность. Коммутация прибора производилась на вход и выход тиристорного источника питания [7].

Результаты и их обсуждение

На рисунке 2 изображен график изменения суммарных активной, реактивной и полной мощности РПТС, потребляемой в ходе всего эксперимента.

^^^^^^м PΣ, кВт ^^^^^^в SΣ , кВА ^^^^^^^^^в QΣ геом., квар

Рисунок 2 – Изменение активной, реактивной и полной мощности в процессе эксперимента: P∑ – суммарная активная мощность; Q∑ – суммарная реактивная мощность;

S∑ – суммарная полная мощность

Из данного графика видно, что активная мощность находилась в пределах от - 1,5023 до 0,6263 кВт, реактивная мощность находилась в пределах от 5,5695 кВА до - 8,9903 кВА и почти на всем протяжении эксперимента отдавалась в сеть, суммарная полная мощность находилась в пределах от 22,6328 до 61,4735 геом. квар. Это указывает на необходимость установки фильтрокомпенсирующего устройства [8].

Можно выделить несколько режимов работы:

• -    пуск, момент времени 10:13 - 10:19;

• -    выход на режим плавки 10:19 - 10:23;

• -    рабочий режим – плавка 10:23 - 10:46 и 10:49-10:54;

• -    слив - окончание плавки 10:54 - 11:10.

Также следует отметить, что до включения РПТС и после нагрузкой являлись вытяжной двигатель и двигатель, разбрызгивающий полученный расплав.

Рассмотрим каждый режим работы более детально.

В процессе пуска РПТС было замечено увеличенное потребление активной мощности, что показано на рисунке 3.

Продолжительность экмперимента, t, ч

PA, кВт PB, кВт PC, кВт

Рисунок 3 – Изменение активной мощности фаз А, В, С в момент пуска и на этапе выхода на режим плавки: PА – активная мощность фазы А; PВ – активная мощность фазы В; PС – активная мощность фазы С

Параметры фиксировались каждые 3 с. Запуск длился примерно 6 мин с постепенным увеличением мощности. После этого значение активной мощности постепенно росло, и установка перешла в следующий режим работы.

Следующий этап – выход на рабочий режим 10:19 - 10:54. На данном графике (рис. 4) видно, что активная мощность увеличивалась до окончания плавки.

Продолжительность экмперимента, t, ч

^^^^м PA, кВт     PB, кВт PC, кВт

Рисунок 4 – Активная мощность фаз А, В и С в рабочем режиме: PА – активная мощность фазы А; PВ – активная мощность фазы В;

PС – активная мощность фазы С

В таблице 1 приведены значения параметров установки и загруженности электросети в момент 10:25.

Таблица 1

Значения параметров установки в установившемся режиме (время 10:25)

Фаза	Р, кВт	Q, квар	S, кВА	I, А	Кр
А	7,7378	-11,0876	13,5246	61,0340	-0,575684L
В	13,6699	-4,0469	14,2569	62,4317	0,958008L
С	5,1368	12,6255	13,6347	61,7958	-0,380127L
Итого	26,05445	-2,509	41,6347	61,7538	0,002197L

Из таблицы 1 можно сделать вывод, что коэффициент мощности в данный момент 10:25 равен 0,002197, что свидетельствует о том, что этот режим являлся несинусоидальным [9] для электросети и реактивная мощность отдавалась в сеть.

Влияние РПТС на качество электроэнергии.

Изменение напряжения по фазам показаны на рисунке 5, и их значения представлены в таблице 2.

δUA, %  ^^^^^^w δUB, %  ^^^^^^^^^^^ δUC, %

Рисунок 5 – Отклонение напряжения фаз А, В и С в процессе эксперимента: δUА – отклонение напряжения фазы А; δUВ – отклонение напряжения фазы В;

δUС – отклонение напряжения фазы С

Таблица 2

Максимальные значения изменения напряжения для нескольких режимов работы установки

Отклонение напряжения фазы, %	Исходный параметр	Пуск	Выход на рабочий режим	Плавка	Слив	Последующий параметр
δUа	3,0505	3,0833	-0,1826	-1,0297	2,5908	2,3786
δUв	5,1285	5,94	4,6918	5,2196	4,6723	4,9322
δUс	3,4474	3,4742	1,4497	-0,302	2,4762	2,3566

Согласно требованиям [10], отклонение напряжения не должно превышать ±10 % от номинального. До запуска РПТС и после отключения установки значение напряжения не превышало нормы.

На фазах А и С в момент пуска РПТС можно увидеть небольшое снижение напряжения до 3 %. При выходе на рабочий режим, видим изменение напряжения: на фазе B выросло до 5 %, на фазе А и С стало меньше на 1,5 и -0,2 % соответственно. В остальных режимах плавки отклонение напряжения не превышало допустимых.

На рисунке 6 приведен график изменения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям.

Продолжительность экмперимента, t, ч

K0U, %       K2U, %

Рисунок 6 – Изменение коэффициента несимметрии напряжения:

K2U - коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности; K0U - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности

Согласно требованиям [10], за промежуток 95 % времени значение коэффициентов нес-симетрии не должны превышать 2 %, а за весь промежуток времени - 4 %. На протяжении всего эксперимента значение K2U не превышало 0,94 %, а значение K0U - 3,96 %. Из чего можно сделать вывод, что значения коэффициента напряжения по обратной и нулевой последовательности находятся в допустимых пределах.

На рисунке 7 приведен график изменения коэффициента искажения напряжения по фазам.

Продолжительность экмперимента, t, ч

^^^^^^* KU A, %   ^^^^^^м KU B, %   ^^^^^^^^^^* KU C, %

Рисунок 7 – Изменение коэффициента искажения напряжения:

KUА – коэффициент несимметрии напряжения фазы А; KUВ – коэффициент несимметрии напряжения фазы В; KUС – коэффициент несимметрии напряжения фазы С

Согласно нормам [10] для сети потребителя с напряжением 380 В искажение напряжения варьируется в диапазоне от 8 до 12 %. В режиме плавки наблюдались наибольшие значения коэффициента искажения напряжения. Они могут варьироваться от 2,777 до 5,585 %, что является нормой [11], из чего можно сделать вывод, что показания коэффициента несиммет-рии напряжения находились в допустимых пределах [12].

На рисунке 8 представлено изменение искажения тока в фазах A, B, C в период всего экперимента.

Продолжительность экмперимента, t, ч

KI A, % KI B, % KI C, %

Рисунок 8 – Коэффициенты искажения тока:

KI А - коэффициент несимметрии тока фазы А; KI В - коэффициент несимметрии тока фазы В;

KI С - коэффициент несимметрии тока фазы С

В рабочем режиме коэффициент искажения тока в фазах не превышает 30 %, согласно требованиям [13], что свидетельствует о том, что РПТС пригоден для промышленного применения. Рассмотрим в таблице 3 значения гармонических составляющих тока, вызывающих несимметрию.

Коэффициенты нечетных гармоник напряжения и тока фаз, в момент выхода на режим для времени 10:19

Таблица 3

Напряжение					Токи
Коэффициент искажения напряжения, %	фаза А	фаза В	фаза С	предельно допустимые значения	Коэффициент искажения тока, %	фаза А	фаза В	фаза С
KU (3)	5,542	4,608	4,302	2,25	KI (3)	4,124	2,58	6,267
KU (5)	4,05	3,144	3,506	2,25	KI (5)	25,528	24,275	25,31
KU (7)	4,122	2,014	3,2	1,5	KI (7)	9,827	10,289	11,935
KU (9)	3,444	2,12	2,756	0,6	KI (9)	2,361	0,531	2,762
KU (11)	3,702	1,704	4,3	1,5	KI (11)	12,735	10,254	11,351
KU (13)	3,112	1,892	2,017	1,05	KI (13)	3,352	4,518	5,202
KU (15)	2,328	1,562	2,76	0,3	KI (15)	1,831	0,41	2,174
KU	5,789	5,302	5,251	-	KI (СКГС)	27,331	26,448	25,739

Для момента 10:19 все значения нечетных гармонических составляющих напряжения и тока в фазах превышали допустимые значения [14]. Из чего можно сделать вывод, что наибольшее значение KU соответствовало 3-й гармонике (от 4,302 до 5,542 % при норме 2,25 %) [14]. Наибольшее значение KI соответствовало 5-й гармонике (от 24,275 до 25,528 %). С результатами исследований энергозатрат на плавление базальта Енхорского месторождения можно ознакомится в работе [15].

Заключение

В ходе эксперимента по плавке базальтовой крошки были получены следующие энергетические характеристики экспериментальной установки – реактор плазменный трехфазный сериесный: P(t), Q(t), S(t), I(t) и U(t). Суммарная полная, активная и реактивная мощность за весь промежуток работы установки была в пределах нормативных значений, которые имели следующие значения: P∑=237,125 кВт, Q∑ = -071,9144 геом. квар., S∑=40840,3476 кВА. Из этого можно сделать вывод, что РПТС является активно-индуктивной нагрузкой для сети.

Можно отметить, что показатели несинусоидальности напряжения находились в пределах от 2,777 до 5,585 %, а показатели несинусоидальности тока не выходили за рамки 30 %. Из этого можно сделать вывод, что увеличение мощности РПТС, возможно, и не будет оказывать существенного влияния на питающую сеть.

По данным, полученным в ходе эксперимента, о качестве потребляемой установкой электроэнергии, будет осуществлен расчет и подбор параметров защитного и регулировочного оборудования РПТС, а также сетевых фильтров.