Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ANALYSIS OF QUALITY CONTROL IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF MINING ENTERPRISES

Kharitonov Ya.S. 1 Bebikhov Yu.V. 2 Egorov A.N. 1
1 Specialized Center «Almazavtomatika» PJSC «ALROSA»
2 Mirny Polytechnic Institute (branch) North-Eastern Federal University n.a. M.K. Ammosov
The article is devoted to the research of quality control of electric energy in the systems of power supply of mining enterprises when using systems of frequency-controlled electric drive on technological installations. The main problems of electromagnetic compatibility of power consumers with the power supply network at mining enterprises are described. Lists the sources of distortion of the quality of electrical energy. The indicators of the quality of electrical energy, normalized in accordance with GOST 32144-2013, are given. The main areas of the underground mine and concentration plant were selected, having in their list of electrical equipment a powerful high-voltage variable-frequency electric drive: skip lifting installation, main ventilation fan, pulp pump installation, ball mill. A research methodology was selected, consisting in instrumental monitoring of power quality indicators using modern analyzers. Requirements for errors in measuring the quality of electricity by analyzers included in the register of measuring instruments of the Russian Federation are shown. The results of measuring the quality of electricity in all objects are presented, which confirm the contribution of the frequency-controlled drive to the deterioration of electromagnetic compatibility. A number of unique frequency converters of their kind have been identified that minimize the distortion of power quality indicators. At the same time, the positive economic effect from the introduction of the frequency-controlled electric drive systems, which conserve energy and reduce equipment wear, has been mentioned. Conclusions about the feasibility of developing guidelines for the selection, preventive diagnostics and repair of high-voltage frequency converters.
electromagnetic compatibility
power quality
power supply system
variable frequency drive
frequency converter
underground mine
concentration plant

Качество электрической энергии характеризуют термином «электромагнитная совместимость», под которым понимают способность электрического приёмника нормально функционировать в его электромагнитной среде (в электрической сети, к которой он присоединен), не создавая недопустимых электромагнитных помех для других электрических приёмников, функционирующих в той же среде [1, 2].

Проблема электромагнитной совместимости электроприёмников с питающей сетью на промышленных предприятиях остро возникла в связи с широким использованием мощных преобразователей частоты, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок, энергосберегающих ламп освещения, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии [3, 4].

Показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц устанавливает ГОСТ 32144-2013 [5]. Согласно ему нормируются следующие показатели КЭ:

– отклонение частоты;

– медленные изменения напряжения;

– колебания напряжения и фликер;

– несинусоидальность напряжения;

– несимметрия напряжений в трехфазных системах;

– напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям;

– прерывания напряжения;

– провалы напряжения и перенапряжения;

– импульсные напряжения.

Величины допустимых отклонений вышеуказанных параметров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Допустимые отклонения показателей качества электроэнергии

п/п

Показатель

Максимально допустимое отклонение в течение времени

Продолжительность измерения

95 %

100 %

1

Отклонения частоты

± 0,2 Гц

± 0,4 Гц

1 неделя (интервал времени 10 с)

2

Медленные изменения напряжения

± 10 % от номинального

1 неделя (интервал времени 10 мин)

3

Кратковременная доза фликера

1,38

1 неделя (интервал времени 10 мин)

4

Длительная доза фликера

1,0

1 неделя (интервал времени 2 ч)

5

Гармонические составляющие напряжения (значения суммарных коэффициентов при напряжении 6 кВ)

5,0 %

8,0 %

1 неделя (интервал времени 10 мин)

6

Коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям

2 %

4 %

1 неделя (интервал времени 10 мин)

7

Кратковременные и длительные прерывания напряжения

< 3 мин и > 3 мин соответственно

1 неделя (интервал времени 10 мин)

8

Провалы напряжения и перенапряжения

Прил. А, табл.

А1–А4 [21]

1 неделя (интервал времени 10 мин)

9

Импульсные напряжения

Прил. Б, табл.

Б1–Б2 [21]

1 неделя (интервал времени 10 мин)

Для анализа результатов контроля качества электрической энергии в системах электроснабжения горных предприятий при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП) выберем ряд основных участков подземного рудника и обогатительной фабрики, сопоставим и проанализируем измеренные показатели качества электроэнергии с 2013 по 2017 г. Объектами исследования станут системы частотно-регулируемого электропривода скиповой подъемной установки и вентилятора главного проветривания рудника, пульпонасосной установки обогатительной фабрики и шаровой мельницы закладочного комплекса.

Материалы и методы исследования

Основные методы исследования заключаются в снятии показаний с внедренных ранее на объекты систем автоматизированного мониторинга показателей качества электроэнергии [6, 7], а также в инструментальном контроле показателей качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 в течение 7 суток с 10-минутным интервалом [8]. Контроль проводился с помощью анализатора качества электрической энергии типа PowerQ4 MI2592 на вводных ячейках. Требования, предъявляемые к анализаторам КЭ, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Требования к погрешностям измерений анализаторов

п/п

Наименование показателя

Неопределенность измерений

Класс А

Класс S

1

Отклонение частоты

± 0,01 Гц

± 0,05 Гц

2

Медленные изменения напряжения

± 0,2 % (приведенная к Uном)

± 0,5 % (приведенная к Uном)

3

Кратковременная доза фликера

± 5 % (относительная)

± 10 % (относительная)

4

Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения

± 0,05 % (абс.)

± 5,0 % (отн.)

± 0,15 % (абс.) при KU < 3

± 5,0 % (отн.) при KU > 3

5

Коэффициент несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям

± 0,15 % (абсолютная)

± 0,3 % (абсолютная)

6

Длительность провала напряжения и перенапряжения

± 20 мс

± 40 мс

7

Глубина провала напряжения

± 0,2 % (приведенная к Uном)

± 1,0 % (приведенная к Uном)

Анализатор PowerQ4 MI2592 производится фирмой METREL (Словения) и работает в соответствии со стандартом МЭК 61000-4-30, класс S. Анализатор утвержден в качестве средства измерения в реестре федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ за номером 44343-10.

Помимо мониторинга и инструментального контроля для анализа показателей качества электроэнергии стали чаще применять методы математического моделирования систем электроснабжения, которые обеспечивают большую точность измерений при разработке имитационных моделей [9–11]. Но в нашей работе этот метод не применяется, так как имеется возможность доступа на объекты горных предприятий и снятие реальных показателей.

Результаты исследования и их обсуждение

Скиповая подъемная установка (СПУ) рудника обеспечивает доставку груза и людей в/из шахты под землю и на поверхность, приводится в движение двигателем постоянного тока с независимым возбуждением мощностью 1250 кВт под управлением тиристорного выпрямителя DCS600 и относится к электропотребителям первой категории по бесперебойности электроснабжения. Измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на СПУ проводились на протяжении 2013 г. с помощью разработанной и внедренной на руднике системы непрерывного мониторинга ПКЭ. В результате накопления и анализа данных было выявлено систематическое превышение допустимой величины искажения формы кривой напряжения (не синусоидальность), а также превышение допустимых значений коэффициентов 23, 25, 35, 37 гармонических составляющих (рис. 1).

harit1.tif

Рис. 1. Коэффициенты гармонических составляющих межфазных напряжений

Шаровая мельница технологического закладочного комплекса используется для измельчения (подготовки) материала для закладки выработанного пространства на добычных участках рудника. Мельница оснащена синхронным двигателем мощностью 1000 кВт и (с недавних пор) преобразователем частоты ACS2000. До внедрения в систему электропривода шаровой мельницы высоковольтного преобразователя частоты (измерения 2014–2015 гг.) при её запуске наблюдались не просто превышения пускового тока и провалы напряжения, а это приводило к отключению питающих ячеек и вывода из работы другого основного оборудования (рис. 2), что вызывало простои оборудования и необоснованные затраты.

harit2.tif

Рис. 2. Запуск шаровой мельницы при работающих подъемных установках и клинкерной мельнице

Главная вентиляторная установка (ГВУ) рудника обеспечивает подземную его часть свежим воздухом и является одним из самых мощных единичных потребителей электроэнергии на руднике, её мощность составляет 2000 кВт. Она приводится в движение асинхронным двигателем, управляемым высоковольтным преобразователем частоты (ВПЧ) Power Flex 7000. До замены на новые агрегаты, которая произошла в 2016 г., ГВУ приводилась в движение синхронным двигателем и управлялась преобразователем частоты ПЧВС, которые к этому времени морально устарели. В конце 2016 г. после окончания внедрения новой системы электропривода ГВУ результаты замеров потребляемой мощности, конечно же, показали существенную экономию электроэнергии за счет использования более современной системы автоматического регулирования. В это же время результаты контроля качества электроэнергии показали, что коэффициент искажения кривой напряжения при работе ВПЧ практически достигает значения 42 %, что не соответствует требованиям ГОСТ-32144 (рис. 3) [12, 13].

harit3.tif

Рис. 3. Графики суммарных коэффициентов искажения кривых напряжения и токов на входе преобразователя частоты Power Flex 7000

Пульпонасосная установка (ПНУ) обогатительной фабрики служит для оборотного водоснабжения водно-шламового хозяйства и состоит из насоса, преобразователя частоты ACS5000 и асинхронного двигателя мощностью 1600 кВт [14]. Преобразователь частоты ACS5000 серийно выпускается широко известной корпорацией ABB и является уникальным продуктом на рынке высоковольтных преобразователей частоты, так как он сочетает в себе ряд инновационных технических решений. С целью анализа влияния ВПЧ на питающую сеть на вводной высоковольтной ячейке проводился инструментальный контроль показателей качества электроэнергии. Контроль параметров электрической энергии производился в соответствии с ГОСТ-32144 в течение 7 суток с 10-минутным интервалом в конце 2017 г. Анализ результатов (рис. 4) показал, что суммарный коэффициент гармонических составляющих варьируется от 2,4 % до 6,6 %, то есть 100 % измерений не выходят за пределы значения 8 %, что соответствует требованиям ГОСТ-32144, но 21,5 % измерений суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения превышают значение 5 %, что говорит о несоответствии требованиям ГОСТ-32144.

Однако если сопоставить график изменения потребляемого системой электропривода тока с графиком изменения суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения можно заметить, что уже до начала работы электропривода питающее напряжение искажено. При этом суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения достигает значения 4 %. Последнее говорит о том, что вклад в искажение кривой напряжения питающей сети преобразователя частоты ACS5000 сравнительно незначительный, что подтверждает оправданность применения сложной схемы преобразования.

harit4.tif

Рис. 4. Графики изменения потребляемого тока и суммарного коэффициента искажения формы кривой напряжения

Заключение

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы об использовании частотно-регулируемого привода на установках промышленных предприятий:

1. В результате внедрения ЧРП получаем положительный экономический эффект за счет снижения затрат на обслуживание и ремонт электрооборудования и экономию электроэнергии [15].

2. В ходе эксплуатации таких систем наблюдаем ухудшение ПКЭ питающей сети, вызванное искажением формы кривой напряжения, появление несинусоидальности кривой напряжения и тока, отклонение коэффициентов гармонических составляющих от требуемых норм.

В заключение стоит отметить, что не все преобразователи частоты вносят значительный вклад в ухудшение электромагнитной совместимости, но при этом такие модели будут иметь более высокую стоимость. В связи с этим на крупных промышленных предприятиях имеется необходимость разработки собственных методических рекомендаций по выбору, превентивной диагностике и ремонту мощных высоковольтных преобразователей частоты, которые позволят обоснованно выбирать системы ЧРП для конкретных технологических установок [16, 17].