Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы в режимах металлического и дугового коротких замыканий и совершенствование ее защиты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Федоренко, Вячеслав Александрович

• Федоренко, Вячеслав Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федоренко, Вячеслав Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ литературы, посвященной моделированию и описанию генераторных агрегатов.

1.2. Анализ литературы, посвященной моделированию основных электротехнических устройств, входящих в модель СЭЭС.

1.3. Анализ литературы, посвященной моделированию режимов КЗ в СЭЭС.

1.4. Анализ литературы, посвященной совершенствованию защиты.

1.5. Постановка задачи исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерное моделирование судовой электроэнергетической системы в режимах металлического и дугового коротких замыканий и совершенствование ее защиты»

Актуальность работы. Вопросы и задачи, рассматриваемые в данной работе, относятся к области проектирования и эксплуатации судовых электроэнергетических систем (СЭЭС). Современная СЭЭС представляет собой сложный и высоко ответственный комплекс, от правильного функционирования, которого зависят человеческие жизни, экологическая безопасность, и безопасность судна с грузом.

Стремительное развитие силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники увеличили средне статическую мощность СЭЭС вновь строящихся судов и расширили возможность использования электрической энергии на борту судна.

Системы распределения электроэнергии становятся более разветвленными и протяженными, а устройства выработки и преобразования энергии - более мощными. Повышенные требования к экологии и экономичности судовой движительной установки и судовой электростанции обуславливают широкое применение систем электродвижения и соответственно увеличение мощности СЭЭС.

Меньшие, по сравнению с устройствами предыдущего поколения, электрические потери и габариты позволяют строить достаточно эффективные и надежные СЭЭС.

Суда с электр о движением не единственный пример мощных и сложных СЭЭС, подобными качествами обладают СЭЭС судов без электро движения. Вот некоторые из них: буровые суда и суда нефтедобычи, танкера и суперконтейнеровозы.

Работы по проектированию и строительству перечисленных типов судов давно и успешно ведутся за границей.

В настоящее время правительство предпринимает шаги по реанимации судостроения. Готовится к одобрению программа освоения континентального шельфа.

Опыт эксплуатации СЭЭС свидетельствует о периодически возникающих случаях несрабатывания защитных аппаратов при дуговых коротких замыканиях (КЗ). В результате, от продолжительного горения дуги, возникает опасность гибели экипажа, происходит возгорание кабелей, нарушается электроснабжение потребителей.

Одной из причин несрабатывания защитных аппаратов при КЗ, не нашедшей отражения в действующих нормативных документах, является действие токоограничивающего действия электрической дуги, возникающей при дуговом КЗ. Кроме того, остаточное напряжение в месте дугового КЗ накладывает некоторые особенности на функционирование элементов СЭЭС, которые чрезвычайно сложно учитывать расчетным путем. Статистика показывает, что большинство КЗ на судне — это замыкания через дугу.

Данная работа посвящена созданию модели СЭЭС в режиме дугового КЗ, разработке методики учета электрической дуги, выработке рекомендаций по повышению надежности срабатывания устройств защиты в режиме дугового КЗ. Ввиду отсутствия модели электрической дуги и рекомендаций по учету электрической дуги при моделировании СЭЭС, данная работа является актуальной.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка математической модели судовой электроэнергетической системы для исследования режимов дугового и металлического КЗ с целью совершенствования ее защиты.

Методы исследования. Результаты работы основываются на теории математического моделирования, теоретических основах электротехники, теории электрических машин и релейной защиты электроэнергетических систем.

Научная новизна. На защиту представляются следующие основные результаты:

- составлена математическая модель ГА, включающая в себя модели приводного двигателя, автоматического регулятора напряжения и частоты вращения для режимов металлического и дугового КЗ;

- разработана математическая модель СЭЭС для исследования режима дугового КЗ;

- получена математическая модель электрической дуги;

- в пакете прикладного моделирования Simulink создан блок электрической дуги;

- произведено обобщение и систематизация результатов расчетно-теоретической и экспериментальной части исследования;

- даны рекомендации по применению моделей при решении инженерных задач и использованию в учебном процессе;

- даны рекомендации по совершенствованию электрической защиты СЭЭС от токов дугового и металлического КЗ.

Степень достоверности результатов подтверждается малым (до 7%) расхождением полученных с помощью компьютерного моделирования результатов и величин, полученных расчетным путем по ОСТ5. 6181-81 и данных типовых заводских испытаний.

Практическая ценность. Разработанные модели СЭЭС для режимов дугового и металлического КЗ позволили:

- провести моделирование режимов дугового КЗ в СЭЭС с дизельными и турбинными ГА;

- разработать практические рекомендации по применению моделей при проектировании и проверке электрической защиты СЭЭС, а также выбору электрооборудования;

- разработать практические рекомендации по использованию моделей в учебном процессе;

- разработать комплекс моделей для типовых СЭЭС, позволяющих проводить моделирование режимов дуговых и металлических КЗ;

- выполнять определение уставок защиты и проверку чувствительности защитных аппаратов.

Кроме того, разработаны и внедрены в учебный процесс лабораторные работы по дисциплине «Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации».

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в производственную деятельность компании «Сахалин Энерджи» и в учебный процесс кафедры «Судовые автоматизированные электроэнергетические системы» ФГОУ ВПО ГМА имени адмирала С.О. Макарова в качестве лабораторных работ (компьютерного практикума), используемых в учебном процессе.

Имеются акты внедрения (Приложение 8, 9).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Государственной Морской Академии им. адмирала С.О. Макарова, Новороссийской Государственной Морской Академии, Военно-Морской Академии.

Публикации. Перечисленные научные результаты были освещены в 11 печатных публикациях, включающих в себя статьи и тезисы докладов, в том числе 2 статьи в издании из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с выводами, заключения, списка литературы, включающего 87 источников, и 9 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Федоренко, Вячеслав Александрович

5.3. Основные выводы и результаты

1. Представлены результаты компьютерного моделирования СЭЭС в режиме КЗ в среде Simulink. Выполнен аналитический расчет параметров КЗ и произведено сравнение результатов. На основании результатов сравнения можно сделать вывод о том, что приведенные модели могут использоваться для решения задач, связанных с определением токов в режимах короткого замыкания.

2. Компьютерное моделирование в режиме СЭЭС также может выполняться для определения провала напряжения на распределительных щитах СЭЭС в режимах дугового и металлического коротких замыканий, пуска и самозапуска электрических двигателей. Таким образом, может быть решена задача определения надежности электроснабжения потребителей в неповрежденных участках СЭЭС в режимах дугового и металлического КЗ.

3. Кроме этого, моделирование СЭЭС показало возможность наблюдения процессов в СЭЭС, происходящих в режимах короткого замыкания, оценки таких важных параметров защиты как чувствительность, быстродействие и селективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

- составлена математическая модель ГА для режимов дугового и металлического КЗ, включающая в себя модели приводного двигателя, автоматического регулятора напряжения и частоты вращения; разработана математическая модель СЭЭС для исследования режимов дугового и металлического КЗ;

- в пакете прикладного моделирования Simulink созданы лично автором, без использования блоков готовых электротехнических устройств, блоки: электрической дуги, синхронного генератора, автоматических регуляторов напряжения и частоты вращения, статической и двигательной нагрузки;

- произведено обобщение и систематизация результатов расчетно-теоретической и экспериментальной части исследования;

- выполнено моделирование; по результатам моделирования и их статистической обработки определен минимальный токоограничивающий коэффициент, который может использоваться при аналитической оценке чувствительности защиты;

- даны рекомендации по аналитическому определению уставок защит для соответствия требованиям действующих нормативных документов;

- даны рекомендации по применению моделей при решении таких инженерных задач как: исследование СЭЭС в режимах дугового и металлического КЗ, определение минимальных токов в режиме дугового КЗ, определение ударных и установившихся токов в режиме КЗ, проверки бесперебойности электроснабжения потребителей, находящихся в неповрежденных участках цепи в режиме дугового и металлического КЗ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федоренко, Вячеслав Александрович, 2009 год

1. Абрамович, Б. Н. Возбуждение, управление и защита промышленных (бесщеточных) синхронных машин Текст. / Б. Н. Абрамович.- М.: «Информэлектро», 1981.-75с.

2. Александров, Г. Н. К расчету токов короткого замыкания в электрических сетях Текст. / Г. Н. Александров // Электричество.-2004.-№4.

3. Баранов, А. П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы Текст./ А. П. Баранов. СПб.: Судостроение, 2005.- 528с.

4. Баранов, А. П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации: Учеб. для вузов Текст. / А. П. Баранов, М. М. Раимов. -СПб.:Элмор, 1997.-232с.

5. Баранов, А. П. Использование пакета Simulink для изучения и исследования переходных процессов в судовых электроэнергетических системах Текст. /

6. A. П. Баранов, В. А. Федоренко // Эксплуатация морского транспорта.-2007.-№ 48. С. 46-47.

7. Беляев, А.В. Выбор аппаратуры, защиты, кабелей в сетях 0,4 кВ Текст./ А.

8. B. Беляев.-JI.: Энергоиздат, 1988. -176с.

9. Бояринов, Г. И. Синхронные генераторы автономных энергоустановок Текст./ Г. И. Бояринов.-М.: МЭИ, 2004.-71с.

10. Брон, О. Б. Электрическая дуга в аппаратах управления Текст./ О. Б. Брон. — М.:Госэнергоиздат, 1954.-532 с.

11. Бурьяноватый, А.И. Компьютерное моделирование в электроснабжении Текст./А. И. Бурьяноватый. -СПб.: ПГУС, 1999.-79с.

12. Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины Текст./ Д. А. Бут. М.: Высшая школа, 1990.-416с.

13. Bera, Николау. Защита судовых электроэнергетических систем от токов короткого замыкания на основе применения средств вычислительной техники Текст.: дис. канд. техн. наук: 05.09.03/ Николау Вега. -Л.:ЛВИМУ, 1982. -198 с.

14. Веретенников, Л. П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах Текст./ Л. П. Веретенников.-Л.: Судостроение, 1975.-376с.

15. Веретенников, Л.П. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах Текст. / Л. П. Веретенников, М. М. Раимов, А. И. Потапкин. Л.: Судостроение, 1964.-384с.

16. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 Текст. / С. Г. Герман-Галкин. СПб.: КОРОНА принт, 2001.-320с.

17. Голубев, М. Л. Защита вторичных цепей от токов коротких замыканий Текст. / М. Л. Голубев. М.:Энергоатомиздат, 1982.-81с.

18. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ Текст.- Введ. 1995-01-01. М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов.

19. Гузанов, А. Н. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматики Текст. / А. Н. Гузанов, К. В. Недялков. СПб.: СПбГУВК, 1996.-59с.

20. Дьяконов, В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5. Основы применения Текст./ В. П. Дьяконов. М.: СОЛОН-Пресс, 2004.- 768 с.

21. Елисеев, И. Н. Исследование способов выявления электрической дуги к.з. и разработка чувствительных быстродействующих устройств защиты участков СЭС Текст.: дис. .канд. техн. наук: 05.09.03/И. Н. Елисеев. -Новочеркасск: НПИ, 1976.-184 с.

22. Кетков, Ю. Л. MATLAB 6.x.: программирование численных методов Текст./ Ю. Л. Кетков, А. Ю. Кетков, М. М. Шульц.-СПб.:БХВ-Петербург, 2004,-672с.

23. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин Текст. / И. П. Копылов. М.: Высшая школа, 2001.-327с.

24. Королев, В. В. Математическое моделирование систем управления и защиты на ПЭВМ Текст. / В. В. Королев.- Обнинск: ИАТЭ, 1996.- 107 с.

25. Ксенофонтов, А. П. Защитные устройства в судовых и береговых электроустановках рыбной промышленности Текст. / А. П. Ксенофонтов. -М., 1984.-254с.

26. Лищенко, А. И. Системы возбуждения и регулирования бесконтактных синхронных машин Текст. / А. И. Лищенко. —Киев, 1972.

27. Лищенко, А.И. Бесконтакные синхронные машины с автоматическим регулированием возбуждения Текст. / А. И. Лищенко.- Киев: Наукова думка, 1980.-224С.

28. Меджахед, А. Разработка методики эквивалентирования электродвигателей для расчета токов коротких замыканий в произвольный момент времени Текст. : автореф. дис. . канд.техн.наук: 05.14.02/ А. Меджахед.-М.: МЭИ, 1991.-16с.

29. Недялков, К. В. Автоматические регуляторы частоты и напряжения судовых синхронных генераторов Текст./ К. В. Недялков.-JI. : ЛИВТ, 1990.-58с.

30. Недялков, К. В. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматики: Метод анализа электромагнитных процессов Текст./ К. В. Недялков. СПб: СПбГУВК, 1994.-37с.

31. Новгородцев, А. Б. Расчет электрических цепей в MATLAB:Учебный курс Текст./ А. Б. Новгородцев. -СПб.: Питер, 2004.-250с.

32. ОСТ5.6181-81. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов Текст.-М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов.

33. Правила классификации и постройки морских судов Текст.: том 2, ч. 6. Электрическое оборудование.- СПб.: Российский Морской Регистр Судоходства, 2003.

34. Правила устройства электроустановок Текст. : утв. приказом Минэнерго России от 8 июля 2002 № 204. М.: -Омега-Л., 2008. 272 с.

35. Крючков, И. П. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования Текст. / И. П. Крючков, Б. Н. Неклепаев, В. А. Старшинов.-М.: «Академия», 2005.-416с.

36. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования Текст. : РД 153-34.0-20.527-98. М. ЭНАС, 2002. -152 с.

37. Ремезовский, В. М. Переходные процессы в электроэнергетических системах промысловых судов Текст. / В. М. Ремезовский, Л. Н. Токарев. -Мурманск: МГТУ, 1996.-72с.

38. Рокотян, Ю. В. Принципы и методы построения систем защиты судовых ЭЭС Текст.: дис. .канд. техн. наук: 05.09.03/ Рокотян Юрий Васильевич.-Л.:ЦНИИ СЭТ, 1984.-150 с.

39. Руденко, В. С. Основы преобразовательной техники Текст. / В. С. Руденко, В. И. Сенько, И. М. Чиженко М.: Высшая школа, 1980.-424с.

40. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования Текст./ Под ред. Б. Н. Неклепаева.-М.: НЦ ЭНАС, 2002.-152с.

41. Саврухин, А. П. Компьютерное моделирование и расчет линейных электрических цепей Текст./ А. П. Саврухин. М.: МГУЛ, 2001.-103с.

42. Сендюрев, В. М. Моделирование судовых электроэнергетических систем Текст./В. М. Сендюрев.-Л.:ЛЭТИ, 1979.-59с.

43. Справочник по преобразовательной технике Текст. / Под ред. И. М. Читенко. Киев: «Техника», 1978.- 447с.

44. Стражмейстер, В. А. Моделирование судовых электроэнергетических систем Текст. / В. А. Стражмейстер.- Владивосток : ДВВИМУ, 1978. -39с.

45. Ступин, Н. А. Математический аппарат и методика анализа случайных процессов в судовых системах Текст./ Н. А. Ступин. Л.: 1975. - 37с.

46. Сюбаев, М. А. и др. Аварии и неисправности в судовых электроустановках Текст. /М. А. Сюбаев. -Л.: Судостроение, 1980.-192с.

47. Таев, И.С. Электрические аппараты. Общая теория Текст. / И. С. Таев. М.: Энергия, 1970.

48. Токарев, Л. Н. Введение в электроэнергетику Текст. Л. Н. Токарев.-СПб.: «Алее», 1999.-223с.

49. Токарев, Л. Н. Математическое описание, расчет и моделирование физических процессов в судовых электростанциях Текст. / Л. Н. Токарев.-Л. Судостроение, 1980.-119с.

50. Токарев, Л. Н. Решение задач по теоретическим основам электротехники с помощью ЭВМ Текст. / Л. Н. Токарев. СПб: «Алее», 2000.-104 с.

51. Токарев, JI.H. Системы автоматического регулирования Текст. / Л. Н. Токарев. СПб: «Нотабене», 2001.-191 с.

52. Ульянов, С. А. Короткие замыкания в электрических системах Текст. / С. А. Ульянов. ГЭИ, 1952.

53. Федеральная целевая программа «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы Текст. : утв. постановлением Правительства РФ от 21 февраля 2008 г. № ЮЗ /М., 2008.

54. Федоренко, В. А. Моделирование режима дугового короткого замыкания в цепях низкого напряжения силовых трансформаторов в мощных судовых электроэнергетических систем Текст. /В. А. Федоренко // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.-2008.-№9.

55. Федоренко, В. А. Опасность возникновения дуговых коротких замыканий на судне и защита от них Текст. / В. А. Федоренко // Сборник научных трудов/ НГМА.-Новороссийск: Изд-во НГМА, 2006.-№11.

56. Федоренко, В. А. Учет электрической дуги в аналитической и машинной оценке чувствительности защиты Текст./ В. А. Федоренко // Сборник научных трудов/ НГМА.-Новороссийск: Изд-во НГМА, 2006.-№11.

57. Федоренко, В. А. Анализ гребных электрических установок с винторулевым комплексом Azipod Текст./ В. А. Федоренко, О. П. Хайдуков// Сборник научных трудов/ НГМА.-Новороссийск: Изд-во НГМА, 2001 .-№6.- С. 126129.

58. Филимонов, В. Д. Устройства защиты судовых электроэнергетических систем Текст. / В. Д. Филимонов. -JL: ЦНИИ «Румб», 1980.-107с.

59. Филимонов, В.Д. Коммутационно-защитные аппараты на судах финской постройки Текст./ В. Д. Филимонов, В. Г. Бланин. -JL, 1997.

60. Фильц, Р. В. Математическое моделирование явнополюсных синхронных машин Текст. / Р. В. Фильц. -Львов, 1991.

61. Чан Ван Нян. Аварийные режимы судовой электростанции Текст. : автореф. дис. . канд.техн.наук: 05.19.03 / Чан Ван Нян. СПб., 1993 -16с.

62. Чо Гван Чун. Шунтирующее действие асинхронных двигателей при коротких замыканиях в электроустановках напряжением до 1000 В Текст.: автореф. дис. канд.техн.наук: 05.19.03 / Чо Гван Чун. М., -18с.

63. Шевцов, М. В. Разработка и исследование алгоритмов адаптивного функционирования защиты от всех видов коротких замыканий на основе дистанционного принципа Текст.: автореф. дис. . канд.техн.наук: 05.14.03 / Шевцов В. М.-М.:МЭИ, 2003. -19с.

64. Шевченко, Ю.С. Бесщеточные синхронные генераторы промышленной частоты зарубежных фирм Текст. / Ю. С. Шевченко.-М.:Информэлектро, 1987.-52с.

65. Шиша, М.А. Учет влияния электрической дуги на ток короткого замыкания в сетях напряжением до 1кВ переменного и постоянного тока Текст./ М. А. Шиша//«Электрические станции».- 1996.- №11.-С. 49-55.

66. Калязин, Е. А. Электрическая защита судового электрооборудования Текст./ Е.А. Калязин, Ю.В. Рокотян, В.Д.Филимонов, JI.J1. Игнатьев.-Л.:Судостроение, 1983.-240 с.

67. Юрнанов, А. А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов Текст. / А. А. Юрнанов, В. А. Кожевников.- СПб.: Наука, 1996.

68. Ясаков С. Г. Корабельные энергетические системы Текст./ С. Г. Ясаков. -СПб.: ВМА, 1999.-640 с.

69. IEC 60909-0:2001. Short-circuit Currents in Three-phase A.C. Systems, 2001.148 p.

70. IEC 61363-1:1998. Electrical Installations of Ships and Mobile and Fixed Offshore Units, 1998.- 92 p.

71. IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations Amendment 1. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2004.-131 p.

72. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. IEEE Std. 421.5-2005. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2006.-95 p.

73. Ismail Kasikci. Short Circuits in Power Systems. A Practical Guide to IEC 60 909. -Wiley-VCH Verlag- GmbH, Weinheim, Germany, 2002.-165p.

74. NFPA 70E. Standard for Electrical Safety in the Workplace. 2009. 104 p.

75. Power System Blockset For Use with Simulink. Hydro-Quebec, TEQSIM International, 2001.-516 p.

76. Discrimination with LV breakers. Cashiers Techniques 201. Merlin Germ, 2001.30 p.