Оптимізація системи електропостачання кар’єру

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Аналіз системи електропостачання внутрішніх мереж кар'єрів

Діючі залізорудні кар'єри розрізняються по потужності споживання, режиму роботи, категорії споживачів електроенергії, умовам експлуатації і довкілля. Можна сформулювати наступні загальні принципи побудови систем електропостачання глибоких залізорудних кар'єрів :

1) глибоке введення вищої напруги до центру електричних навантажень, що полягає в максимальному наближенні вищої напруги до електроспоживачів з мінімальним числом східців проміжної трансформації;

2) децентралізація прийому і розподілу електричної енергії, що полягає в дробленні живлячих підстанцій;

3) облік чинника надійності і безпеки, що полягає в забезпеченні безперебійності і електробезпеки як системи електропостачання кар'єру в цілому, так і елементів, що входять в неї;

4) дотримання раціонального співвідношення довжин пересувних кабельних і повітряних ліній електропередачі;

5) глибоке секціонування усіх ланок системи електропостачання;

6) відмова від «холодного резерву», що припускає постійне електричне навантаження усіх елементів системи електропостачання;

7) роздільна робота лінії електропередачі і трансформаторів, що забезпечує зниження струмів К.З.

Для здійснення принципу глибокого введення в умовах глибоких залізорудних кар'єрів мають бути вирішені питання вибору раціональної напруги кар'єрів, створення ряду принципово нових електротехнічних апаратів, розподільних пристроїв, пересувних опор для повітряних ліній електропередачі і пересувних понижуючо - розподільних трансформаторних підстанцій(ППРТП) на первинну напругу 35 - 110 кВ, що задовольняють умови експлуатації відкритих гірських розробок.

Нині розроблені і застосовуються порівняно прості методи визначення раціонального рівня живлючої напруги, використовуючи результати приведених витрат при стандартній напрузі і математичні інтерполяційні теорії(поліноми Ньютона і Лагранжа). Дослідженнями організацій достовірно встановлено, що раціональна живляча напруга в умовах залізорудних кар'єрів - 35 кВ, а розподільна напруга - 6 кВ.

Реалізація принципу глибокого введення вищої напруги безпосередньо до електроспоживачів тісно переплітається із здійсненням принципу децентралізації кар'єрних підстанцій. Суть цього принципу полягає в дробленні кар'єрних підстанцій і максимальному їх наближенні до центрів електричних навантажень. Цей принцип може бути реалізований установкою понижуючих трансформаторів на самій гірській машині (екскаваторі, буровому верстаті) або розташуванням їх поряд з електроспоживачем і приєднанням до повітряної лінії електропередачі за простими схемами.

При проектуванні систем електропостачання кар'єрів з урахуванням принципу децентралізації живлячих підстанцій необхідно знати або визначити глибину їх розташування, тобто знайти оптимальне число підстанцій, при якому досягається мінімум витрат на будівництво кар'єрних електророзподільних мереж. Чим вище технічна продуктивність екскаваторів і їх кількість, тим доцільніше глибше розташування живлячих підстанцій при незмінних значеннях інших параметрів, що враховуються при цьому.

Застосування принципів глибокого введення і децентралізації кар'єрних підстанцій має наступні переваги:

- скорочуються число і протяжність кар'єрних розподільних мереж напругою 6 кВ, що призводить до зменшення втрат електроенергії в них приблизно на 1,5-2 % і скорочення витрати кольорових металів на 10-15 %;

- підвищується надійність електропостачання у зв'язку з різким скороченням зони аварії і зменшенням вірогідності помилкових комутаційних перемикань;

- внаслідок зниження потужності трансформаторів зменшуються робочі струми і струми К.З. на вторинній напрузі;

- підвищується якість напруги у електроспоживачів;

- спрощується проблема вдосконалення системи електропостачання кар'єрів, оскільки з'являється можливість споруджувати нові підстанції в центрі знову виникаючих електричних навантажень без зміни діючих підстанцій і мереж.

Побудову систем електропостачання не можна вести, не враховуючи чинник надійності і безпеки. Надійність електропостачання залізорудних кар'єрів робить істотний вплив на продуктивність кар'єрів і значною мірою визначає витрати на ремонт і обслуговування кар'єрних електророзподільних мереж. Перерви в електропостачанні гірничотранспортного устаткування призводять до матеріального збитку через невиконання плану, а відмови в електропостачанні водовідливних установок на глибоких горизонтах кар'єрів можуть створити загрозу для життя людей.

Надійність систем електропостачання кар'єрів в загальному випадку визначається надійністю елементів системи, резервуванням як джерела живлення, так і елементів системи. Підвищення надійності систем електропостачання гірських підприємств шляхом збільшення надійності елементів схеми обмежене технічними можливостями, підвищення надійності резервуванням елементів розподільних мереж в обмежених умовах кар'єрів із - за створення перешкод гірничотранспортним машинам не завжди ефективно. Як правило, явно вираженого (холодного) резерву в схемах електропостачання залізорудних кар'єрів не передбачають. Аварійні резерви мають бути приховані в системі, яка дозволяє при відмові одного елементу робити перерозподіл навантажень і зберігати плановий об'єм добування корисної копалини.

Виконані дослідження показали, що при аналізі і побудові систем електропостачання залізорудних кар'єрів необхідно враховувати надійність кар'єрних пересувних повітряних ліній, екскаваторних кабелів, переключих пунктів(ПП) і пересувних кар'єрних трансформаторних підстанцій(КТП).

Побудову пересувних кар'єрних електророзподільних мереж необхідно вести з урахуванням принципу раціонального співвідношення довжин кабельних і повітряних ліній електропередачі. Для цього вводиться поняття коефіцієнта кратності К_к, який визначається як відношення довжини кабельної лінії електропередачі до загальної довжини пересувних електророзподільних ліній. Коефіцієнт кратності залежить від основних параметрів і є функцією фронту гірських робіт на 1 екскаватор(L_ф), середньорічної продуктивності екскаватора(П_е, млн. м³)^, середньої ширини робочого уступу на кар'єрі(А_у, м), числа висаджуваних в повітря блоків за один масовий вибух (В). Коефіцієнт кратності залежить також від кліматичної зони розташування кар'єру і прийнятої системи електропостачання.

Існуючі схеми електропостачання

Електропостачання потужного гірничо - технологічного устаткування на кар'єрах має свої особливості. Для таких електроспоживачів найгостріше виникає необхідність в глибокому введенні напруги 35 - 110 кВ і доцільне живлення їх через пересувні трансформаторні підстанції ПКТП 35/6 кВ, ПКТП 110/6 кВ. Відмінними особливостями схем електропостачання кар'єрів слід віднести неоднорідність і розосередженість різноманітно підключених до різних точок мережі електроспоживачів, надзвичайно велику розгалуженість, наявність кабельних вставок і введень в гірничо - технологічні машини.

Кар'єрні мережі напругою 6 - 35 кВ виконуються повітряними, комбінованими (легко - кабельними) або кабельними лініями. Співвідношення між протяжністю кабельних і повітряних ліній на кар'єрах складає 0,12 - 1,24 для мереж напругою 6 кВ і 0,3 - 0,8 для мереж напругою 35 кВ.

Схеми електропостачання пересувних електроспоживачів містять значне число ліній, ПКТП, ПП, ділянок і вузлів і структурно значно розрізняються.

Нині проектними організаціями розробляються схеми електропостачання гірських машин і механізмів з використанням кабелів 6 кВ, прокладених в похилих стволах головного конвеєра ділянки. Вживані на кар'єрах схеми розкриття, розробки, вид технологічного транспорту і технологія гірських робіт істотно впливають на схему електророзподільної мережі. Від типу ліній електропередачі і їх протяжності залежать стан ізоляції, різні комбінації ємнісного і індуктивного опорів, струми замикання на землю, особливості протікання процесів перенапружень і, отже, вибір схеми захисту від них.

Схеми електропостачання кар'єрів з використанням пересувних понижувально - розподільчих підстанцій напругою 110/6 кВ. Проектування схем електропостачання глибоких кар'єрів з використанням(ППРП) повинне вестися з урахуванням характерних для них технологічних особливостей виїмки і транспортування гірської маси.

Види вживаного завантажувально - розвантажувального устаткування і транспорту визначають формування вантажопотоків в кар'єрі, яке істотним чином обумовлює схему розподілу електроенергії між споживачами і розвиток усієї системи електропостачання. На основі досліджень шляхів формування вантажопотоків в кар'єрах запропоновані схеми електропостачання кар'єрних електроспоживачів з використанням ППРП.

Електроенергія між споживачами горизонтів розподіляється від самостійних ППРП. Живлячі лінії (35 кВ), прокладені по конвеєрних ставах, виконані кабельними, а розподільні лінії (6 - 10 кВ) повітряними або кабельними.

В розглянутих випадках схеми розподільної мережі можуть бути радіальними або магістральними.

Радіальні схеми розподілу електроенергії звичайно виконуються, коли споживачі розміщені в різних напрямках від центру живлення. Вони можуть бути одноступеневими (рис. 1.1), коли екскаватори і ПТП живляться безпосередньо від ГПП або ЦРП. Одноступеневі схеми застосовуються головним чином на малих підприємствах, де загальна потужність підприємства і його територія невеликі.[2]

На середніх і великих підприємствах застосовуються як одноступеневі так і двохступеневі схеми. При цьому одноступеневі схеми використовуються для живлення значних зосереджених навантажень, зокрема потужних екскаваторів.

Застосування радіально - ступеневих схем обгрунтовується тим, що недоцільно і не економічно завантажувати основні енергетичні центри гірничого підприємства (ГПП, ЦРП) великою кількістю малопотужних відходячих ліній. Радіально - ступеневі схеми можуть бути двохступеневими на одну напругу 6 кВ з встановленням проміжного розподільчого пункту в кар'єрі і двоступеневі на дві напруги 35 і 6 кВ з встановленням трансформаторної підстанції 35/6 кВ (рис. 1.2).

Рисунок 1.1 - Одноступенева радіальна схема живлення електроспоживачів кар'єру: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ПТП - пересувна трансформаторна підстанція

а) б)

Рисунок 1.2 - Радіальні двохступеневі схеми живлення електроспоживачів кар'єру: а) на одну напругу; б) на дві напруги: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ГПП - головна понижувальна підстанція, Т - трансформатор, ПКТП - пересувна кар'єрна трансфоматорна підстанція,РП -розподільчий пункт

Розподільні пункти і підстанції, які живлять електроприймачі 1- ї і 2 - ї категорії, живляться за допомогою двох і більше радіальних ліній, які звичайно працюють окремо, кожна на свою секцію (рис. 1.3). При вимкненні однієї з радіальних ЛЕП навантаження автоматично перемикаються на іншу секцію і тим самим на іншу ЛЕП. Якщо кожна з ліній не розрахована на повну потужність РП, то застосовуються заходи по частковому розвантаженню ЛЕП у після аварійному режимі.

Рисунок 1.3 - Радіальна схема живлення електроспоживачів 1 та 2 категорій на кар'єрі: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ГПП - головна понижувальна підстанція, Т - трансформатор

Для живлення потужних екскаваторів використовують радіальну схему живлення з встановленням пересувної підстанції глибокого вводу на робочому уступі або розміщення трансформаторної підстанції на борту екскаватора.

На діючих кар'єрах найбільше поширення отримали магістральні схеми розподілу електроенергії. Звичайно, ці схеми використовуються при такому взаємному розміщенні підстанцій і споживачів 6 кВ на території кар'єра, коли лінії від джерела живлення до споживачів можуть бути прокладені без значних зворотних напрямків. Магістральні схеми дозволяють краще завантажити при нормальному режимові ЛЕП, які вибрані за економічною густиною струму, на після аварійний режим чи за струмами К.З. Зменшується число ЛЕП і комплектних розподільчих пристроїв на підстанції.

За ступенем надійності електропостачання магістральні схеми поділяються на дві основні групи:

а) прості магістральні схеми - поодинокі і кільцеві;

б) схеми з двома і більше паралельними магістралями.

Поодинокі магістралі використовуються в тих випадках, коли можна допустити перерву в живленні на деякий час, необхідний для знаходження, вимкнення і відновлення пошкодженої ділянки магістралі.

Поодинокі магістральні (рис. 1.4), а також кільцеві з одностороннім живленням (рис. 1.5). Як правило, магістральні ЛЕП з двохстороннім живленням і кільцеві магістральні з одностороннім живленням розподіляються на дві - три ділянки з встановленням секційних роз'єднувачів типу РЛН - 6 або КРП типів ЯКНО, КРН та ін.

Повітряні магістралі звичайно виконуються з глухими відпайками до примикаючих пунктів.

На кабельних магістралях глухе приєднання зустрічається дуже рідко для приєднання малопотужних невідповідальних споживачів. У більшості випадків на вході і виході кабельної магістралі в примикаючих пунктах встановлюються роз'єднувачі або навіть вимикачі (рис. 1.6).

На кар'єрах з потужними споживачами можуть споруджуватись подвійні (дуальні) магістральні ЛЕП 6 кВ з одностороннім або двохстороннім живленням. Схеми з подвійними магістралями звичайно використовуються, на підстанціях з двома секціями збірних шин (рис. 1.7).

На діючих розрізах використовуються також змішані схеми розподільчих мереж: на окремі ділянки прокладаються магістральні 6 кВ, а до потужних екскаваторів або екскаваторів, розташованих близько від пункту живлення прокладаються радіальні ЛЕП.

а)

б)

Рисунок 1.4 - Поодинокі магістральні схеми живлення електроспоживачів кар'єру: а) з одностороннім живленням; б) з двостороннім живленням: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ГПП - головна понижувальна підстанція, Т - трансформатор, ПКТП - пересувна кар'єрна трансфоматорна підстанція,РП - розподільчий пункт

Рисунок 1.5 - Кільцева магістраль для живлення електроспоживачів кар'єру: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ГПП - головна понижувальна підстанція, КТП - кар'єрна трансформаторна підстанція

Рисунок 1.6 - Магістральна кабельна схема живлення електроспоживачів кар'єру: QF - вимикач

Рисунок 1.7 - Схема живлення кар'єрів за допомогою подвійних магістралей: QF - вимикач, ПП - пересувна підстанція, Е - екскаватор, ГПП - головна понижувальна підстанція, КТП - кар'єрна трансформаторна підстанція

По розташуванню ЛЕП відносно фронту гірничих робіт схеми електропостачання поділяються на фронтально - повздовжні (або повздовжні), фронтально - поперечні (або поперечні) і комбіновані або борто - кільцеві.

За наявності на залізорудних кар'єрах двох і більше потужних живлячих підстанцій, розташованих на протилежних бортах кар'єру, для електропостачання електроспоживачів глибоких горизонтів доцільніше використати дуальні схеми розподілу електричної енергії. Сприятливі умови застосування таких схем : наявність двох і більше незалежних і однакових по потужності джерел живлення; використання радіальних і магістральних схем розподілу електроенергії в умовах призабійної ділянки кар'єру; максимальне наближення один до одного кінцевих гілок розподільних ліній окремих гірських ділянок кар'єру.

Дуальні схеми відносяться до дубльованих схем. Дублювання відбувається в результаті використання двох джерел живлення. У нормальному режимі кожна група електроспоживачів живиться від свого джерела живлення. У разі виникнення відмов або порушення нормального режиму роботи в схемі електропостачання однієї групи споживачів, інша група споживачів продовжує працювати і може підключити до себе групу з порушеним режимом електропостачання. Перемикання груп електроспоживачів від одного джерела живлення до іншого може здійснюватися автоматично за допомогою спеціальних секціонуючих пристроїв, наприклад пересувних ПП, обладнаних швидкодіючими вакуумними або електромагнітними вимикачами. При цьому секціонуючі пристрої виконують функцію АВР. З позицій надійності така схема електропостачання є схемою одноразового резервування із заміщенням. При використанні в секціонуючих облаштуваннях швидкодіючих вакуумних вимикачів застосування дуальних схем забезпечує відновлення електропостачання ділянки або групи електроспоживачів через 0,025-0,04 с.

Напруга у відключеній частині електричної мережі підтримується синхронними двигунами потужних екскаваторів і інших механізмів,. які ще деякий час продовжують обертатися(вибігання двигунів) .

Нині діючі магістральні і радіальні схеми розподілу електричної енергії більшості глибоких залізорудних кар'єрів близькі до дуальних схем. Але відсутність в них секціонуючих пристроїв з АВР не дозволяє їх вважати дуальними.

При проектуванні систем електропостачання гірничо-збагачувальних комбінатів з використанням дуальних схем розподілу електроенергії заздалегідь потрібно виконати техніко-економічне обгрунтування вибору раціонального поєднання облаштувань секціонування з конкретними гірничо-геологічними і гірничотехнічними умовами розробки залізної руди. Основним завданням при цьому є максимальне зниження збитку від перерв електропостачання. Схеми електропостачання кар'єрів з використанням автономних джерел живлення. У різних галузях промисловості за останні роки все ширше застосовують автономні джерела живлення(АДЖ). Використовуються вони для покриття пікових електричних навантажень великих промислових підприємств, резервування, а також для енергозабезпечення підприємств на початковій стадії будівництва і віддалених об'єктів.

2. Вимоги до систем електропостачання глибоких кар'єрів

Головними вимогами до систем електропостачання будь - якого промислового підприємства є:

- забезпечення високої якості електроенергії, тобто нормованих значень напруги та частоти і їх відхилень на затискачах споживачів;

- забезпечення потрібної підприємству кількості електроенергії та необхідної надійності електропостачання;

- економічність роботи та безпека всіх елементів систем електропостачання, їх зручність в експлуатації.

Однією з основних характеристик систем електропостачання являється надійність, яка визначає економічну ефективність як самої систем електропостачання, так і обслуговуючого нею технологічного процесу. Що стосується систем електропостачання, то під її надійністю розуміють здатність забезпечення приймачів електроенергією заданою кількістю в межах допустимих показників її якості. Сама надійність систем електропостачання також являється одним з показників її якості. Але цей показник суттєво відрізняється від інших, тому що, якщо система не відповідає необхідній ступені надійності, то всі інші показники якості втрачають своє практичне значення, так як не можуть бути використані повністю в експлуатації.

В умовах напруженого енергетичного балансу цілі енергопостачаючої організації (ЕО) та промислового підприємства часто стають конфліктними. ЕО намагається забезпечити свою стійкість за рахунок введення обмежень потужності в період максимуму її навантаження, а в передаварійній ситуації і обмежень споживання електроенергії. При цьому підприємства змушені відключати частину своїх приймачів.

Всі обмеження в електропостачанні можна розділити на чотири види.

Перший вид обмежень відноситься до неминучих, економічно недоцільних, що обумовлені фізичними відмовами елементів системи електропостачання.

Другий вид обмежень - економічно доцільні, обумовлені нерівномірністю добових графіків електричного навантаження енергосистеми. Економічна доцільність таких обмежень визначається зниженням заявленої потужності підприємством і відповідної оплати за електроенергію.

Третій вид обмежень відноситься до економічно недоцільних, що визвані недостатністю генеруючих потужностей в енергосистемі в результаті різного впливу на енергосистему, або її стану. Причинами такого впливу можуть бути: системні аварії, дефіцит генеруючих потужностей, стихійні лиха тощо.

Четвертий вид обмежень відноситься до недоцільних повних, або дуже значних і тривалих. Вони можуть з”являтись в основному в результаті розв'язання війн або в особливо екстремальних ситуаціях, спричинених землетрусом, паводком тощо.

При вирішенні питань обмеження електропостачання гірничих підприємств необхідно приймати до уваги характер технологічного процесу, можливість виникнення аварій, нещасних випадків, втрату дієздатності підприємства та інших явищ при повному відключенні підприємства від енергосистеми. Тому ряд електроспоживачів повинні мати можливість роботи при обмеженнях в електропостачанні, тобто гірниче підприємство повинно мати аварійну броню.

Взагалі потужність аварійної броні є дискретно зростаюча в часі функція. Менше значення потужності аварійної броні, чим цього вимагають технічні та технологічні умови, веде до збитку виробництва. Значення потужності аварійної броні залежить від тривалості повного обмеження централізованого електропостачання. Для другого та третього видів обмежень потужність аварійної броні загалом складається з потужності водовідливу та вентилятора, а для четвертого виду обмеження додатково необхідно приймати до уваги потужність електроприймачів технологічного процесу добування корисної копалини та доставки її на поверхню.

Для забезпечення потужності аварійної броні при четвертому типі обмеження електропостачання слід мати автономне джерело електропостачання та проводити активне регулювання режиму електроспоживання, вирівнюючи графік навантаження цього джерела.

Вимоги до електропостачання підприємства загалом залежать від споживаючої ним потужності, існуючої технології виробництва та вимог до надійності електропостачання окремих споживачів. Більшість сучасних гірничих підприємств відносяться до середніх та крупних. Для таких підприємств найбільш економічною та надійною є система глибоких вводів, за якої мережі напруги 35 - 220 кВ максимально наближаються до споживачів, часто підстанції “глибокого вводу” будуються на території підприємства. При цьому приймаються до уваги особливості даного підприємства, наявність зон з агресивним середовищем, режими роботи окремих споживачів, їх категорійність за надійністю живлення електроенергією.

Система електропостачання повинна будуватися таким чином, щоб всі її елементи знаходилися під навантаженням. “Холодний” резерв в лініях та трансформаторах не допускається. При такому режимі роботи зменшуються втрати електроенергії та підвищується надійність тому, що “холодний” резервний елемент може при включенні під навантаження відмовити наслідок вчасно непомічених несправностей.

Для вірного вирішення питань надійності електропостачання необхідно чітко розрізнять аварійний та післяаварійний режими. Під аварійним режимом розуміють короткочасний перехідний режим, спричинений порушенням нормального режиму системи чи її окремих ланок і триваючий до відключення пошкодженої ланки релейним захистом.

Під післяаварійним режимом слід розуміти режим, що виникає після відключення пошкоджених елементів. Він продовжується до відновлення нормальних умов роботи. При цьому використовується так званий “прихований” резерв схеми електропостачання. системи електропостачання в післяаварійному режимі повинна бути в змозі прийняти на себе навантаження тимчасово вибувших елементів шляхом перерозподілу його між залишившимися в роботі частинами мережі з використанням перенавантажувальних властивостей обладнання. В цей період можуть використовуватися всі можливості резервування, навіть ті, що при нормальному режимі є нерентабельними (різні перемички зв'язку на вторинній напрузі та ін.). В післяаварійному режимі допустиме часткове обмеження потужності, можливі короткочасні перерви живлення споживачів третьої та частково другої категорій, дозволяється відступ від нормальних рівнів, відхилень та коливань напруги і частоти.

Для гірничих підприємств, що мають значну кількість споживачів першої та другої категорій обов'язковим є наявність двох вводів живлення.

Надійність електропостачання в системі електропостачання повинна підвищуватися при наближенні до джерела живлення (ГПП) та по мірі росту потужності відповідних ланок так як аварії в потужних ланках приводять до більш тяжких наслідків і охоплюють більшу зону підприємства.

В системі електропостачання застосовують глибоке секціювання всіх ланок електрообладнання. На секційних апаратах при необхідності передбачається автоматичне введення резерву (АВР).

При проектуванні системи електропостачання слід, як правило, виходити з роздільної роботи ліній та трансформаторів тому що при цьому знижуються струми короткого замикання, спрощуються та здешевлюються схеми комутації та релейного захисту.

Необхідно намагатися використовувати розкрупнення вузлів живлення (ГПП, РП), будуючи декілька ГПП, РП на підприємстві наближаючи їх до споживачів. Для потужних споживачів доцільно використовувати блоки: лінія - трансформатор; лінія - двигун.

Живлення електроприймачів паралельних технологічних потоків слід здійснювати від різних підстанцій, РП, магістралей або від різних секцій шин однієї підстанції. Всі взаємозв'язані технологічні агрегати одного потоку доцільно живити від однієї секції шин, одного РП, магістралі і т.п.

Так як мережі і підстанції входять в єдиний комплекс підприємства нарівні з іншими виробничими спорудами, то вони повинні ув”язуватись з будівельною та технологічною частинами і генеральним планом підприємства. Схеми електропостачання повинні забезпечувати можливість росту навантажень на найближчі 10 років.

При проектуванні систем електропостачання слід передбачати раціональні заходи з оптимізації електроспоживання та вирівнювання графіку навантаження. Разом з технологами на час максимуму навантаження в енергосистемі необхідно шукати споживачі - регулятори для можливого їх вибіркового відключення в розумних межах технічної та економічної доцільності.

В системах електропостачання підприємств бажано прагнути до максимально можливої уніфікації схемних та конструктивних рішень електричної частини як на підприємстві, що проектується, так і на всіх гірничих і інших підприємствах даного територіально-промислового комплексу.

3. Основні споживачі і компенсуючі пристрої реактивної потужності

Споживачами реактивної потужності є трансформатори, асинхронні двигуни (АД),синхронні двигуни (СД), перетворювачі, зварювальні трансформатори, реактори, електричні мережі і інші електроустановки. Споживана ними реактивна потужність потрібна для створення відповідних електромагнітних полів, що забезпечують їх нормальну роботу.[4]

Централізованими джерелами реактивної потужності є генератори електростанцій. Передача реактивної потужності промисловим споживачам від генераторів електростанцій обмежена рівнем:

(3.1)

де - активна потужність, споживана в час максимуму навантаження енергосистеми промисловим підприємством; - оптимальний по приведеним затратам .

Місцевими джерелами реактивної потужності в електричних мережах і на промислових підприємствах являються статичні конденсатори, синхронні двигуни і компенсатори.

Для виключення надбавок до плати за електроенергію підключена потужність місцевих джерел реактивної потужності на промислових підприємствах повинна задовольняти рівнянню:

(3.2)

де - фактична потужність місцевих джерел реактивної потужності; - фактичний

Статичні конденсатори

Статичні конденсатори в умовах промислових підприємств широко використовуються для генерації реактивної потужності і встановлюються на понижуючих підстанціях і безпосередньо у окремих електроприймачів.

Окремі конденсатори з'єднуються послідовно або паралельно і утворюють установки поперечної або подовжньої компенсації заданої реактивної потужності.

Перевагою установок поперечної компенсації є невисока питома вартість Kу.з і втрати активної потужності на генерацію реактивної. Із збільшенням номінальної напруги конденсаторів питома вартість зменшується. Питомі втрати активної потужності на генерацію реактивної кВт/кВАр.

Недоліками статичних конденсаторів є низькі допустимі перевантаження по напрузі і струму, низька надійність, пожаростійкість, наявність залишкового заряду після відключення від мережі і складність створення на їх базі установок поперечної компенсації з плавним регулюванням реактивної потужності.

Синхронні двигуни

Синхронні двигуни (СД) так само, як і статичні конденсатори є місцевими джерелами реактивної потужності. Переваги СД - здатність видавати в мережу реактивну потужність навіть при повному навантаженні на валу.

В умовах промислових підприємств СД - практично єдине плавнорегульоване джерело реактивної потужності. Величина реактивної потужності, яку може видавати СД в мережу.

СД, що випускаються промисловістю розраховані на роботу з (що випереджає). При номінальна реактивна потужність СД при номінальному навантаженні на валу

(3.3)

де - номінальна потужність на валу СД; - номінальний ККД двигуна.

З урахуванням реальних значень , . У режимі холостого ходу СД може використовуватися як синхронний компенсатор і видавати в мережу реактивну потужність, рівну його повній номінальній потужності. Реактивна потужність СД, що тому розташовується, залежить від навантаження на його валу і змінюється в межах

Основними характеристиками, що визначають показники СД і можливості використання його в якості джерела реактивної потужності, є коефіцієнти завантаження по активній і реактивній потужності і відносна напруга і на його затискачах.

При цьому:

Коефіцієнт завантаження по активній потужності:

; (3.4)

; кВт (3.5)

Коефіцієнт завантаження по реактивній потужності:

; (3.6)

Синхронні компенсатори

Синхронні компенсатори є синхронною машиною полегшеної конструкції, призначеною тільки для компенсації реактивної потужності. Питомі втрати активної потужності на генерацію реактивної потужності складають кВт/кВАр. З економічних міркувань синхронні компенсатори застосовують на районних електростанціях.

В окремих випадках, як джерела реактивної потужності, можливе застосування невживаних по прямому призначенню синхронних генераторів і синхронізованих асинхронних двигунів.

4. Процеси передачі потужності і втрати в системі електропостачання

Загальні втрати, що мають місце в енергетичному каналі при передачі потужності необхідної споживачу, визначають у вигляді:

(4.1)

де - втрати під час передачі споживачу потужності перетворення, обумовлені активною складовою струму прямої послідовності основної частоти; - втрати, викликані відповідно наявністю в енергетичному каналі реактивної складової струму прямої послідовності, струмами зворотної і нульової послідовностей основної частоти і вищими гармоніками. Залежність (4.1) відбиває загальну структуру втрат, наприклад, у лінії електропередачі. Ці втрати визначаються квадратами діючих значень складових струмів в лінійних проводах, тобто

 (4.2)

Відомо, що мінімальні втрати відповідають оптимальному режиму електроспоживання, який характеризується симетричною гармонічною системою струмів навантаження і відсутністю передачі реактивної потужності. У цьому випадку загальні втрати в лінії мінімальні і відповідають величині втрат , пов'язаних з передачею і споживанням тільки активної потужності основної частоти.

Далі визначають вагові коефіцієнти:

(4.3)

де - узагальнений показник неякісності електроенергії.

Кожен з коефіцієнтів характеризує відносну величину відповідної енергетичної складової в загальному енергетичному потоці: - корисну потужність, - реактивну потужність, , - визначають відносні значення енергетичних складових, обумовлені неврівноваженістю і несиметрією, - визначає відносне значення енергетичного потоку, пов'язаного з потужністю спотворення.

Дійсно, якщо залежність (4.1) привести до виду:

(4.4)

то, вводячи вагові коефіцієнти , одержимо:

(4.5)

і після перетворення маємо:

(4.6)

Потім зіставляють виміряні величини з відповідно заданими. При перевищенні оптимальних значень проводять заходи щодо зниження втрат з використанням синусних конденсаторів, фільтрів, симетруючих, фільтро - компенсуючих і фільтро - симетруючих пристроїв, одночасно контролюючи і доводячи відповідні коефіцієнти до заданого рівня.

Таким чином, запропонований спосіб контролю ефективності електроспоживання дозволяє визначити дійсний характер процесу передачі і споживання електроенергії й оперативно його корегувати.

5. Оптимізація системи електропостачання, визначення потужності компенсаційного устаткування за методом покоординатного “спуску”

Оптимізамція системи електропостачання - процес надання найвигідніших характеристик, співвідношень Задача оптимізації сформульована, якщо задані: критерій оптимальності, параметри, що варіюються, зміна яких дозволяє впливати на ефективність енергосиситеми, обмеження, пов'язані з економічними та конструктивними умовами, можливостями обладнання та ін.

Оптимізаційні задачі поділяються на:

- Лінійні, для вирішення таких задач використовуються методи лінійного програмування.В основою вирішення таких задач являється знаходження значення лінійної цільової функції при обмеженях, заданих в формі лінійних рівностей і нерівностей, і граничних умов, що вказують на діапазон зміни зміних.

- Нелінійні оптиізаційні задачі використовують метод градієнтів а також метод невизначених множників Лагранджа.Фізичний сенс метода градієнта в тому, що він показує напрямок і швиткість найбільшої зміни функції в розглянутій точці. Природно прагнення зведення задачі умовної оптимізації (пошуку відносного екстремума) до більш простої задачі безумовної оптимізації( пошуку абсолютного екстремума). Така процедура здійснюється в методі Лагранджа.

- Оптимізаційні задачі з цілочисельними і дискретними зміними. При вирішенні досить великої кількості оптимізаційних задач всі шуканні змінні

або їх частина повинні приймати значення цілих чисел

- Задачі при випадковій вихідній інформації. Досить часто вихідна інформація або її частина представляє собою вмпаткові дані або випаткові функції. Для вирішення таких задач використовують метод стохастичного програмування.

Для вирішення оптимізаційної задачі розглянемо два градієнтних методи нелінійних задач:

Метод покоординатного “спуску”. Вибираємо вихідне (нульове) приближення - точку з певним значенням. Значення цільової функції в цій точці складає . Із сукупності частних похідних вибираємо найбільшу по модулю похідну. Нехай це буде похідна . Відповідно в напрямку зміної функція має найбільшу зміну. Якщо похідна позитивна, при збільшенні зміної функція збільшується. Якщо похідна негативна, при збільшенні функція зменшується.[5]

Здійснюємо “спуск” по змінній в напрямку зменшення цільової функції (виконуємо кроки ) Послідовно отримуємо 1 - е, 2 - е, 3 - е приближення - точки с координатами цільової функції.

Обчислювальна операція повторяється до досягнення точності, відповідній вибраному кроку. Якщо в деякій точці з кроком по змінній приводить до збільшення цільової функції, процес закінчується.

Метод швидкого спуску. Начало розрахункової процедури такий же як у покоординатному методі з постійним кроком.

З початкової точки в напрямку цільової функції виконаємо два одиночних кроки. В кінці клжного кроку знайдемо значення цільової функції і .

Маємо три значення цільової функції , і . Ці три значення характеризують переріз цільової функції у вибраному напрямку “спуску”.

Відомо що через три точки можливо провести єдину параболу:

(5.1)

де - постійні коефіцієнти.

Визначемо координату мінімума цієї параболи, для чого прирівнюємо першу похідну функції до 0 по зміній .

(5.2)

звідки

(5.3)

електропостачання кар'єр потужність реактивний

Получення значення і будем вважати оптимальною довжиною кроку .

Виконана процедура називається пароболічною аппроксимацією перерізу цільової функції .

В методі швидкого спуску, в порівнянні з методом покоординатного “спуску” кількість кроків менша , і зменшується точність результату.

Оскільки метод по координатного “спуску” являється більш точний тому для цього методу розв'яжемо оптимізаційну задачу.

В існуючій схемі електропостачання потрібно визначити потужності компесуючих пристроїв , і виходячи з умови мінімуму сумарних витрат на установку цих пристроїв і покриття втрат активної потужності в схемі.

Рисунок 5.1 - Принципова схема електропостачання

Вихідні дані:

Напруга схеми кВ;

Опір ліній: Ом; Ом; Ом.

Реактивні навантаження: кВАр; кВАр; кВАр.

Питомі витрати на установку компесуючих пристроїв у.о./кВАр

Питомі витрати на покриття втрат активної потужності у.о./кВт.

Розв'язок: Цільова функція, представляє собою сумарні витрати на установку компенсуючих пристроїв і покриття втрат активної потужності в схемі, має наступний вигляд:

(5.4)

де (5.5)

;

;

Введення числового коефіцієнта необхідно для приведення всих складових цільової функції до однієї розмірності (у.о.).

Для розв'язку задачі вибираємо метод по координатного “спуску”. Визначимо власні похідні цільової функції по змінних , і :

(5.6)

Приймемо ісходне приближення: , і . Для цих значень знайдемо значення цільової функції і її власних похідних:

Очевидно, що в напрямку змінної цільова функція убуває сильніше, ніж в напрямку змінної .

В напрямку змінної начинаємо “спуск”.

Приймемо величину кроку кВАр. Перше приближення (перший крок) буде , , кВАр. Значення цільової функції

Другий крок , , кВАр

Третій крок , , кВАр

Очевидно, що “спуск” по координаті доцільно припинити, оскільки , і повернутись до значення зміних кВАр, полученні на другому кроку. у.о.

В напрямку начинаємо “спуск”.

Перший крок

, ,

Другий крок

, ,

Третій крок

, ,

Очевидно, що “спуск” по координаті доцільно припинити, оскільки , і повернутись до значення зміних кВАр, полученні на другому кроку. у.о.

В напрямку начинаємо “спуск”.

Перший крок

, ,

Другий крок

, ,

Третій крок

, ,

Очевидно, що “спуск” по координаті доцільно припинити, оскільки , і повернутись до значення зміних кВАр, полученні на другому кроку. у.о.

Результат розв'язку наступний:

кВАр, кВАр, кВАр, у.о.

При встановленні компенсуючих пристроїв цільва функція зменшилась у 16 разів, а різниця становить

у.о.

ВИСНОВОК

В даній курсові роботі на тему «Оптимізація системи електропостачання кар'єру» провели аналіз систем електропостачання кар'єру, розглянули вимоги до систем електропостачання глибоких кар'єрів Також були розглянуті основні споживачі реактивної енергії та пристрої для її компенсації, а також процеси передачі потужності і втрати в системі електропостачання.

Було розглянуто методи оптимізації системи електропостачання, визначення потужності компенсаційного устаткування за методом покоординатного “спуску”.

Проаналізували два методи розв'язання нелінійних оптимізаційних задач методу градієнтів з яких вибрали ефективніший і провели розрахунок по вибору і доцільності встановлення компенсаційних пристроїв для кар'єрних екскаваторів.

В результаті розрахунку впевнились в доцільності встановлення компенсуючих пристроїв, сумарні втрати активної потужності зменшились у 16 разів.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. И.В. Жежеленко, В.М. Божко и др. Эфективные режимы работы электротехнологических установок. - К.: Техника, 1987, - 183 с.

2. Електропостачання гірничих підприємств Розділ 8 - www.auek.kpi.ua/.../ELECTROBLADN.../8.doc.

3. Н.И. Чеботаев Электрооборудование и электроснабжение открытых горных работ. - М.: Горная книга, 2006, - 474 с.

4. Б.Н. Абрамович, Д.А. Устинов Электропривод и электроснабжение горных предприятий: Учебное пособие. - СПб.: Санкт-Петербургский государственый горный институт, 2004, - 84 с.

5. В.Н. Костин Оптимизационые задачи электроэнергетики: Учебное пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003 - 120 с.

6. И.С. Самойлович, И.В. Ситник. Линии электропередачи карьеров. - М.: Недра, 1987, - 230с

7. Л.А Плащанский Основы электроснабжения: Учебное пособие. - 3-е изд., стер. - М.: Издательство Московского государственного университета, 2005. -143.: ил.

Размещено на Allbest.ru