МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УкраЇнИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Зіновкін Володимир Васильович

УДК 658.26:621.314.632.

ВПЛИВ РІЗКОЗМІННИХ НАВАНТАЖЕНЬ ДУГОВИХ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНИХ ПЕЧЕЙ НА ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНЕ

ОБЛАДНАННЯ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

Спеціальність 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому Національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України на кафедрі електропривода і автоматизації промислових установок, м.Запоріжжя.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Жежеленко Ігор Володимирович,

Приазовський державний технічний університет,

завідувач кафедри електропостачання

промислових підприємств;

доктор технічних наук, професор

Сіноліций Анатолій Пилипович,

Криворізький державний технічний університет,

завідувач кафедри автоматизованого

електропривода;

доктор технічних наук, доцент

Гудим Василь Ілліч,

Львівський інститут пожежної

безпеки МНС України,

професор кафедри електротехніки,

автоматики і зв`язку.

Провідна установа: Інститут електродинаміки

Національної Академії наук України, відділ

стабілізації параметрів електромагнітної

енергії.

Захист відбудеться “ 15 ” червня 2006 р. о 14 годині 40 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58; 1-й навчальний корпус, МАЗ.

З дисертацією можно ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету м. Донецьк, вул. Артема, 58; 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий “ 12 ” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради Д11.052.02, канд. техн. наук, доц. А.М.Ларін.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Проектування нових і підвищення ефективності діючих електротехнологічних комплексів (ЕТК) характеризуються стійкою тенденцією енергозбереження. Розробка енергозберігаючих технологій вимагає врахування впливу електротехнологічних режимів на умови експлуатації енергоємного електротехнічного обладнання (ЕТО). ЕТО в системах електропостачання (СЕ) ЕТК у складі дугових сталеплавильних печей (ДСП) і тиристорних компенсаторів реактивної потужності (ТКРП) працює при різкозмінних струмах і напрузі (РЗСН). РЗСН характеризуються сукупністю наступних параметрів: поштовхами, кидками, пульсаціями і низькочастотною модуляцією струму; технологічними, власними і зовнішніми струмами коротких замикань; вищими гармоніками і несиметрією, великою кількістю і кратністю струмів включення електропічних і мережних трансформаторів та змінними навантаженнями. Сукупність параметрів РЗСН збуджує в ЕТО нестаціонарні електромагнітні процеси, які характеризуються: збільшеними додатковими втратами потужності в окремих деталях і ЕТО; збільшенням нагрівів і зниженням діелектричних властивостей ізоляційних матеріалів; формуванням резонансних і релаксаційних процесів; витісненням і перерозподілом магнітних полів і потоків магнітної індукції в силових трансформаторах; електродинамічними процесами в ЕТО. У свою чергу нестаціонарні електромагнітні процеси призводять до розвитку ферорезонансних явищ в системах ЕТК, зниженню ефективності використання електричної енергії, збільшеному споживанню енергоносіїв, змінам геометричних розмірів обмоток і деталей, втратою електродинамічної стійкості і подальшим аваріям.

Рішенню задач підвищення ефективності роботи ЕТК і промислових підприємств присвячені фундаментальні дослідження відомих наукових шкіл: ІЕД НАН України, яка очолювана академіком НАН України А.К. Шидловським, членом кореспондентом НАН України В.Г. Кузнецовим; ПриазНТУ на чолі з І.В.Жежеленко; НТУ “Львівська політехніка” на чолі з О.Ю.Лозинським; ДонНТУ – Е.Г.Курінним; ЗНТУ, а також науково-дослідницьких і проектно-конструкторських організацій ближнього (Україна, Росія, Польща, Казахстан) і далекого (США, Німеччина, Англія, Японія, Китай) зарубіжжя. У цих роботах враховуються превалюючі фактори і параметри, але не враховуються другорядні чинники. Проте при збільшенні потужності ЕТК у складі ДСП-100 вплив другорядних чинників в сукупності з іншими параметрами призводить до суттєвого зниження функціональної надійності електропостачання та роботи ЕТК. Аварійність мережних трансформаторів в ЕТК сягає 90% в порівнянні з системами загального призначення. Тому об'єктивно сформувалася актуальність наукової проблеми підвищення функціональної надійності електропостачання і ефективності роботи енергоємних ЕТК у складі ДСП і ТКРП на основі дослідження впливу різкозмінних навантажень ДСП на ЕТО і СЕ ЕТК.

Вирішення означеної проблеми набуває особливої актуальності у вітчизняних електротехнологіях, де споживання електричної енергії на одиницю виробляємої продукції у 2,5-3,0 рази перевищує показники провідних інофірм та промислових союзів. Стрімке зростання цін на енергоносії стимулює прискорений розвиток енергозберігаючих електротехнологій в Україні і відзначає актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках:

Ш Науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України №163 від 07.02.1996 р.; “Комплексної Державної програми енергозбереження України”, затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України №148 від 05.02.1997 р.; Тематичного плану Міністерства освіти і науки України від 28.05.1996 р. “Розробка нових методів управління складними динамічними системами і технологічними процесами”. Тема 02013, № д.р. 0105U00049.

Ш Держбюджетних договорів: Розробка і освоєння спеціального трансформатора для експлуатації в мережах з різкозмінними навантаженнями типу ТРДЦНМ-1000000/200000/220-У1.Тема В01.86008-3В74, № д.р. 0176045671. Відповідальний виконавець етапу автор;. Розробка і виготовлення трансформатора ЕТЦНКД-160000/110. Заходи щодо розробки і виготовлення трансформаторного обладнання для дугових сталеплавильних печей ДСП-100 і ДСП-150. Тема В01.86027-3В74, № д.р. 01825054438. Відповідальний виконавець етапу автор. Розрахунок додаткових втрат в елементах конструкції при несинусоїдальних струмах. РД . Тема Е14.87093-3В74, № д.р. 01835064625. Виконавець автор.

Ш Доручення Ради Міністрів СРСР. Дослідження режимів роботи і умов експлуатації електротехнічного і трансформаторного обладнання в мережах енергоємних електротехнологічних комплексів у складі ДСП-100. Наказ Мінелектротехпрому № 584-86. Керівник міжвідомчої робочої групи, відповідальний і безпосередній виконавець автор.

Ш Розпорядження № 73-89 Всесоюзного науково-технічного суспільства енергетиків і електротехніків. Дослідження різкозмінних режимів і електродинамічної стійкості мережевих трансформаторів, що живлять потужні дугові сталеплавильні печі ДСП-100 И6 ОХЕМК. Керівник робіт автор.

Ш Розділу програми ДКНТ України 05.51.01. Високоефективне генеруюче устаткування для парогазових і газотурбінних комплексів. Тема 208108, етапи б, в, г. Діагностика і оптимізація різкозмінних режимів силових трансформаторів енергоємних промислових підприємств з метою економії електроенергії і підвищення надійності електропостачання. Відповідальний виконавець етапів автор.

Ш Господарських договорів: № 4/87. 398/87 ЦЕС “Коленерго”. Дослідження режимів роботи і умов експлуатації електротехнічного обладнання і мережних трансформаторів ТРДН-63000/150, що живлять електропічне навантаження комбінату “Північнонікель”. Керівник робіт автор; №391-88. 99/88 ЗТЗ. Програма приймальних випробувань на електродинамічну стійкість трансформатора ТРДЦНМ 100000/200000-220-У1 з урахуванням поштовхових навантажень струму в системах електропостачання металургійних об'єктів Мінчермету. ИБДШ 672.738.003 пм1. Відповідальний виконавець автор; 20315200, 152/90/1545. Дослідження нестаціонарних режимів мережевого трансформатора ТРДЦН-160000/220; 632Д(01) Аналіз параметрів схем електропостачання силового енергоємного обладнання в умовах різкозмінних навантажень ЕМЗ “Дніпроспецсталь”. Керівник автор.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розвиток теорії нестаціонарних електромагнітних процесів у ЕТО і СЕ, які збуджують сукупність електротехнологічних параметрів різкозмінних навантажень потужних ДСП.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Виконати аналіз існуючих методів досліджень електричних параметрів силового ЕТО в системах електропостачання промислових підприємств і на їх основі розробити нові методологічні основи вирішення актуальної науково-прикладної проблеми дисертаційної роботи.

2. Теоретично обгрунтувати і розробити новий метод дослідження сукупності характерних рис електротехнологічних режимів потужних ДСП (технологічні, власні і зовнішні короткі замикання і струми включення; вищі гармонійні складові, несиметрію і несинусоїдальність навантажень, що змінюються у фазах; ймовірні зміни потужності та коливання напруги), і впливи їх на нестаціонарні електромагнітні процеси і технічний стан ЕТО (додаткові, загальні і місцеві втрати потужності, геометричні розміри, шум і його спектральний склад, зміни в конструкції), системи (зміни реактансів, електричних параметрів, ферорезонансні явища) ЕТК.

3. Виконати аналіз характерних рис різкозмінних навантажень ДСП при одночасній класифікації струмів за кратностями, тривалістю, кількістю і характеру при одночасному аналізу їх впливу на додаткові втрати потужності (в подальшому тільки втрати) в ЕТО з урахуванням нелінійних фізичних характеристик феромагнітних матеріалів і особливостей конструкції.

4. Розробити алгоритм і програму аналізу і імітації РЗСН і нестаціонарних електромагнітних процесів на фізичних моделях, макетних взірцях, силовому ЕТО і масивних деталях з урахуванням нелінійної магнітної проникливості в залежності від магнітного поля та початкових і граничних умов, які відображають особливості електротехнологічних режимів ДСП і умови роботи ЕТО.

5. Удосконалити критерії подібності і комп'ютерного моделювання нестаціонарних електромагнітних процесів в ЕТО і СЕ стосовно ймовірних параметрів електротехнологічних режимів групи ДСП у складі ЕТК.

6. Удосконалити електромагнітну діагностику силових трансформаторів спеціального призначення стосовно різкозмінних навантажень ДСП з метою оцінки поточного технічного стану в СЕ ЕТК.

7. Розробити принципові основи методу дослідження і випробувань ЕТО спеціального призначення та енергозберігаючі конструктивні вузли електротехнічного обладнання, а також технічні вимоги для проектування електротехнічного обладнання спеціального призначення, для живлення ДСП-100 у складі ЕТК.

Об'єкт досліджень – сукупність параметрів резкозмінних навантажень потужних ДСП у складі ЕТК, а також нестаціонарних електромагнітних процесів у ЕТО і СЕ з урахуванням нелінійних взаємозв'язків і характеристик, умови експлуатації ЕТО, причинно-наслідкові чинники зниження ефективності роботи ЕТК.

Предмет досліджень – енергоємні ДСП у складі ЕТК, спеціалізоване ЕТО, фізичні, математичні і комп’ютерні моделі, спеціалізовані пристрої еспериментальних досліджень, нелінійні взаємозв'язки електромагнітних параметрів і характеристик, енергозберігаючі конструктивні розробки і окремі вузли.

Методи досліджень – математичне, фізичне і комп'ютерне моделювання, теорія матричного аналізу у поєднанні з методами Хілла і Гауса (нестаціонарні електромагнітні процеси, режими ЕТК у складі групи ДСП), теорія диференціальних рівнянь з нелінійними коефіцієнтами, рівняння Бубнова-Гальоркіна і Лебедєва (масивні деталі і ЕТО), модифікована задача Коші у поєднанні з перетвореннями Лейбніца (шум в спектрі октавних частот), теоретичні основи електротехніки (градієнтні, ймовірні), теорія планування експерименту, теорія похибок, інженерні методи розрахунків і випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено математичну модель нестаціонарних електромагнітних процесів в мережах 35 кВ ЕТК у складі ДСП і ТКРП, яка відрізняється тим, що в основу її рішення покладені метод Гауса і принцип Хілла при умовах, що відображають специфіку електротехнологічних режимів ДСП, і вперше враховується нелінійна вебер-амперна характеристика. Це дозволило встановити невідомі раніше закономірності впливу сукупності параметрів навантажень ДСП на місцеві і додаткові втрати, а також ферорезонансні явища в системах фільтрів вищих гармонік ТКРП.

2. Вперше запропоновано метод багатопараметричного цільового аналізу впливу електротехнологічних режимів потужних ДСП на збуджуючі ними нестаціонарні електромагнітні процеси, який відрізняється тим, що одночасно враховуються сукупність характерних рис ймовірних різкозмінних навантажень і фізичних явищ в ЕТО і СЕ. Це дозволило встановити причинно-наслідкові чинники аварійності силових трансформаторів і отримати нові закономірності їх впливу на додаткові втрати, перерозподіл потоків розсіяння, вищі гармоніки в струмах.

3. Запропоновано моделі фізичного, математичного і комп'ютерного моделювання сукупності параметрів нестаціонарних електромагнітних процесів, які відрізняються можливістю формування заданих співвідношень і рівнів несинусоїдальності, несиметрії і електротехнологічних поштовхів ДСП при одночасній їх класифікації за кратностями, кількостю, тривалістю і характером. Це дозволило встановити нові нелінійні залежності їх взаємозв'язків в ЕТО і ЕТК.

4. Запропоновано новий підхід до узагальнення нестаціонарних електромагнітних процесів у ЕТО спеціального призначення, який відрізняється тим, що враховується вплив ймовірносних показників збудливих параметрів різкозмінних навантажень ДСП. Це дозволило встановити аналітичне представлення їх електромагнітних взаємозв'язків з урахуванням апроксимації нелінійної магнітної проникності від напруженості магнітного поля показовими і поліномінальними функціями.

5. Вперше розроблена математична модель шуму трансформатора спеціального призначення, яка відрізняється тим, що в її основу покладена система нелінійних диференціальних рівнянь другого порядку. Її рішення отримано на підставі модифікованої задачі Коші у поєднанні з перетвореннями Лейбніца щодо струмів електротехнологічних коротких замикань ДСП. Це дозволило отримати залежності динаміки зміни шуму в спектрі октавних частот трансформаторів спеціального призначення від перевищень струмів електротехнологічних коротких замикань.

6. Отримано раніше невідомі нелінійні залежності зміни амплітуд вищих гармонік в різкозмінних струмах, додаткових втрат і нестаціонарних електромагнітних процесів в ЕТО і СЕ від коефіцієнтів несинусоїдальності і несиметрії навантажень ДСП, що відрізняються можливістю врахування сукупності характерних рис електротехнологічних режимів. Це дозволило отримати нові закономірності електро-магнітних показників ЕТО від ймовірного характеру навантаження ДСП, а також сформулювати вимоги для проектування і експлуатації електротехнічного обладнання спеціального призначення в системах ЕТК.

7. Адаптовано метод фізичного моделювання нестаціонарних електромагнітних процесів, який відрізняється тим, що одночасно враховуються електротехнологічні і зовнішні короткі замикання, несиметрія і несинусоїдальність навантаження ДСП, а також нелінійна залежність магнітної проникності від магнітного поля. Це дозволило теоретично обгрунтувати еквівалентування різкозмінних режимів і вперше запропонувати методику випробувань мережних трансформаторів для живлення ДСП-100.

8. Вперше отримано залежності розподілу щільності несинусоїдального магнітного потоку у феромагнітних шунтах від їх розташування у просторі силового трансформатора спеціального призначення. Це дозволило забезпечити умови рівномірного завантаження шунтів магнітним потоком і зменшити додаткові втрати від вихрових струмів в неактивних деталях.

9. Отримано співвідношення між ймовірносними параметрами і фазами електротехнологічних режимів групи ДСП-100 у складі ЕТК, які відрізняються тим, що дозволяють враховувати оптимальні інтервали усереднювання втрат потужності при найменших відносних похибках. Це дозволяє враховувати вплив характерних рис електротехнологічних режимів потужних ДСП на ферорезонансні процеси в електротехнологічному обладнанні і системах ЕТК.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечено коректністю використання математичного апарата і прийнятих припущень, а також сучасних комп’ютерних методів, що підтверджено близкістю отриманих результатів на математичних і фізичних моделях і в умовах експлуатації.

Наукове значення роботи полягає в подальшому розвитку теорії нестаціонарних електромагнітних процесів у електротехнічному обладнані і системах потужних електротехнологічних комплексів з різко змінним характером навантажень.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

1. Встановлені причинно-наслідкові чинники аварійності силових трансформаторів потужностей 160 і 63 МВА в системах 220 і 150 кВ, і запропонована їх класифікація на постійно і періодично діючі. Це дозволило отримати залежності динаміки зміни зовнішніх електромагнітних параметрів при зміні геометричних розмірів систем збудження і деталей конструкції силових трансформаторів від перевищення навантажень і запобігти аваріям в СЕ ЕТК. Отримані результати використано в процесі досліджень умов експлуатації ЕТО на відповідність вимогам нормативно-технічної документації і державних стандартів на АОЗТ „Енерготерм” м. Москва, ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування”, ВАТ „Запоріжтрансформатор”, ВАТ „Дніпроспецсталь”, ВАТ „Мотор-Січ” м. Запоріжжя, ЗАТ „ІСТІЛ” (Україна) м. Донецьк.

2. Виконано приймально-здавальні випробування силових трансформаторів спеціального призначення на електродинамічну стійкість до різкозмінних навантажень, які еквівалентують електротехнологічні і зовнішні короткі замикання ДСП і використані при розробці програми випробувань трансформатора ТРДЦНМ 100000/200000-220 у ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування”, ВАТ „Запоріжтрансформатор” і на мережевому стенді напругою 500 кВ.

3. Сформульовано технічні вимоги для розробки трансформаторного і електротехнічного устаткування спеціального призначення потужностей 63, 90, 160, 100/200, 400, 750 МВА, а також для СЕ потужних ЕТК у складі ДСП-100 і ТКРП, які використано у ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування”, ВАТ „Запоріжтрансформатор”, ВАТ НДІ „Перетворювач” м. Запоріжжя.

4. Запропоновано нову систему електромагнітного шунтування баків трансформаторів для живлення ДСП-100, яка дозволила зменшити ізоляційні проміжки між активними і неактивними деталями, додаткові втрати в баці до 50%, використання електротехнічної сталі до 30 %. Новизна запропонованого рішення підтверджена авторським свідоцтвом і впроваджена на ВАТ „Запоріжтрансформатор" м. Запоріжжя.

5. Розроблено трирівневу систему оцінки технічного стану трансформаторного обладнання щодо аналізу перевищень струмів, класифікації їх за кількістю, кратностями, тривалістю і фазними характеристиками, а також по динаміці нестаціонарних електромагнітних параметрів. Науково-практична новизна спеціалізованого пристрою в її складі підтверджена авторським свідоцтвом. Вона використовувалася міжвідомчою комісією в процесі досліджень впливу електротехнологічних режимів ДСП на умови експлуатації трансформаторного обладнання у мережах ЕТК і упроваджена на АОЗТ „Енерготерм” м. Москва, ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування”, ВАТ „Запоріжтрансформатор”, ВАТ „Дніпроспецсталь” м. Запоріжжя.

6. Запропоновано інженерні методи розрахунку додаткових втрат з урахуванням нелінійної залежності магнітної проникності від різкозмінного магнітного поля розсіяння і дослідження нестаціонарних електромагнітних процесів на фізичних і комп’ютерних моделях, макетних взірцях і реальному електротехнічному обладнанні. Отримані результати використані на ВАТ "НДІ Перетворювач", ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування” м. Запоріжжя.

7. Розроблені алгоритм і програма зведення міжфазних зовнішніх електричних параметрів ЕТО до внутрішніх електромагнітних параметрів використано при дослідженнях і аналізах технічного стану силових трансформаторів по динаміці змін фазних реактивних опорів і шуму в спектрі октавних частот і впроваджено на ВАТ „Дніпроспецсталь” м. Запоріжжя.

8. Розроблені еквівалентні режими силового трансформаторного обладнання з масляним і повітряним охолоджуванням у системах ЕТК у складі ДСП і ТКРП використано на АОЗТ „Енерготерм” м. Москва, ВАТ „Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут трансформаторобудування”, ВАТ „Запоріжтрансформатор”, ВАТ „Дніпроспецсталь”, ВАТ „Мотор-Січ” м. Запоріжжя, ЗАТ „ІСТІЛ” (Україна) м. Донецьк.

9. Основні теоретичні положення, методи математичного, фізичного і комп'ютерного моделювання різкозмінних навантажень ДСП і нестаціонарних електромагнітних процесів в масивних деталях, ЕТО і системах ЕТК, а також прикладні результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі при підготовці аспірантів, магістрів і фахівців в Запорізькому національному технічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, принципи, методи і результати досліджень, які містяться в дисертації і, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати теоретичних досліджень проблеми доповідалися та апробовувалися на: всесоюзному науково-технічному симпозіумі “Электроснабжение и электрооборудование дуговых сталеплавильных печей”, М-Тбілісі, 1988; всесоюзних науково-технічних конференціях „Трансформаторостроение”, Запоріжжя, 1990 и 1995; 3-й міжнародній науково-технічній конференції „Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, Львів, Україна, 1999; всеукраїнській конференції з нелінійних проблем математичної фізики, секція №3, Кременчук, 2000; 2-й міжнародній науково-технічній конференції „Керування режимами роботи об’єктів електричних систем”, Донецьк, Україна, 2002; 2-й міжнародній науково-технічній конференції „Інформаційна техніка та електромеханіка” (ІТЕМ-2003), Луганськ, Україна, 2003; міжнародних науково-технічних конференціях „Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах”, Севастополь, Україна, 2001, 2002; 6-й міжнародній науково-технічній конференції „Проблемы современной электротехники-2000” (ПСЕ-2000), Київ, Україна, 2000; міжнародних науково-технічних конференціях "Метрология электрических измерений” Москва, Росія, 2002, 2004; 7-й міжнародній науково-технічній конференції „Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003), Вінниця, Україна, 2003; 5-й міжнародній науково-технічній конференції ”Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” (ЕПО-2005), Маріуполь, 2005, а також на наукових семінарах в ІЕД НАН України, ДонНТУ, МДТУ, НУ “Львівська політехніка, ЗНТУ.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 41 наукових працях в провідних спеціальних виданнях відповідно до переліку ВАК України, серед яких: 26 статей в наукових журналах; 11 збірниках наукових праць, 2 у збірках науково-технічних конференцій; 2 авторських свідоцтва, зокрема, 15 статей опубліковано без співавторів.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційну роботу виконано на 383 сторінках текстового матеріалу. Вона ілюстрована 87 рисунками на 33 сторінках і 38 таблицями на 12 сторінках. Робота складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 268 найменувань, розміщеного на 30 сторінках і 3-х додатків на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, визначені наукові суперечності, які вимагають свого вирішення, приведені основні наукові положення і результати, які виносяться на захист, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. В результаті проведеного наукового узагальнення і аналізу стану розвитку теорії електромагнітних процесів, функціональній надійності ЕТО, електромагнітної сумісності і підвищення якості електричної енергії виявлено, що в теорії і практиці не повною мірою висвітлені вельми ємні і важливі для практики наукові напрями. На їх підставі сформульовані науково-прикладні завдання дисертаційної роботи, а також методологічні підходи їх рішення з урахуванням одночасного впливу характерних рис електротехнологічних режимів потужних дугових сталеплавильних печей на електротехнічне обладнання і нестаціонарні електромагнітні процеси в системах ЕТК.

У першому розділі приведено аналіз вітчизняних і зарубіжних джерел, які присвячені дослідженням електромагнітної сумісності і якості електричної енергії , а також тенденціям розвитку ЕТК в складі ДСП. Показано, що на теперешній час залишалися невирішеними питання дослідження впливу сукупності параметрів електротехнологічних режимів ДСП на електромагнітні процеси в ЕТО і системах ЕТК. Сформульовані наукові завдання, які вимагають вирішення. Приведені і систематизовані автором результати досліджень сукупності параметрів різкозмінних навантажень і їх кількісні показники. Як приклад на рис.1 приведені планований а) і реальний б) графік потужності, споживаної ЕТК у складі ДСП. Звідки видно, що в період “розплаву” активна потужність, змінюється в межах від (–78,6) до (+21,9%), реактивна - від (–86,4) до (+22,6%), а коефіцієнт потужності - від (–34,5) до (+29,7%).

На рис.2 приведені осцилограми миттєвих а) і фонових б) струмів в системі ЕТК у складі потужних ДСП-100. Кількість перевищень кратностей різкозмінних струмів технологічних коротких замикань в мережних трансформаторах на 67% вище нормованих нормативно-технічною документацією. Такий характер навантаження призводить до досить складних електромагнітних явищ в ЕТО, які до теперішнього часу вивчені недостатньо. На основі систематизаціїї і аналізу умов роботи ЕТО встановлено причинно-наслідкові чинники високої аварійності мережних трансформаторів. Визначальними причинами аварійності ЕТО в СЕ ЕТК є сукупність різкозмінних параметрів електротехнологічних режимів ДСП, які призводять до: великих місцевих втрат і нагрівів деталей конструкції; розвитку нестаціонарних електромагнітних і релаксаційних явищ; пошкоджень і деформації активних і неактивних деталей; пробоїв міжвиткової ізоляції; розпресовці активної частини і втрати електродинамічної стійкості мережних трансформаторів. Різкозмінні режими посилюють умови роботи ЕТК і призводять до зниження ефективності їх роботи та аварійності. Коливання напруги призводять до змін індукції в магнітній системі і стрижньових реактансів, перерозподілу магнітних потоків, змінам звукової потужності в спектрі октавних частот і формуванню несиметричних електромагнітних явищ. У таких режимах деталі конструкції ЕТО кожної з фаз працюють в нерівнозначних електромагнітних умовах. Коливання струмів в суміжних розподільних мережах 10 кВ сягає 50% і більш відносно усередненого значення. Аналіз характерних рис різкозмінних навантажень ДСП, та прояву в ЕТО і системах ЕТК, дозволив класифікувати їх за причинно-наслідковими чинниками на три групи. Показано, що в системах ЕТК окремі фази ЕТО перевантажуються до 21% відносно номінальних значень, а додаткові втрати зростають до 32,7%.

При дослідженнях додаткових втрат в деталях конструкції запропоновано нелінійну залежність магнітної проникності від напруженості різкозмінного магнітного поля конструкційних сталей Ст.2, Ст.3, Ст.3сп, Ст.09Г2с, Ст.14Г2, Ст.У-8 апроксимувати показовою і поліномінальними функціями, а також у відносних одиницях. Похибки розрахунків втрат в області слабких магнітних полів не перевищують 6%, а в області, яка характерна для роботи ЕТО в системах ЕТК-3,5%.

Приведені умови адаптації критеріїв подібності при фізичному моделюванні нестаціонарних електромагнітних процесів з урахуванням нелінійної залежності магнітної проникливості від магнитного поля, а також впливу сукупності параметрів характерних рис різкозмінних струмів ДСП в деталях конструкції, фізичних моделях і силових трансформаторах. Це дозволило сформувати принципові основи для розробки багатопараметричного цільового методу дослідження навантажень ДСП і нестаціонарних електромагнітних процесів у ЕТО і системах ЕТК.

У другому розділі приведено розроблений метод багатопараметричного цільового функціонального аналізу впливу сукупності характерних рис і параметрів різкозмінних навантажень ДСП на ЕТО і системи ЕТК. Його суть полягає в тому, що цільовому функціоналу (1) повинні задовольняти оптимальні режими і параметри електромагнітних процесів у ЕТО згідно (2) в залежності від перевищення РЗСН.

, (1)

(2)

В (1) і (2) прийнято наступні позначення: с – коефіцієнти, що враховують нормовані електротехнічні параметри ЕТО, мережі і режимів; f(?)–функції, що відображають відносний вплив сукупності параметрів різкозмінного навантаження; ?–параметр, який характеризує характерні риси електротехнологічного режиму; f(?)?0; n?m; b -коефіцієнти, які характеризують нелінійні параметри та умови роботи ЕТО.

Для знаходження області оптимальних умов роботи ЕТО необхідно вирішити одночасно зв'язану з (1) зворотну їй задачу (3) при умовах (4).

. (3)

(4)

Оптимальним умовам експлуатації ЕТК відповідає така кількість рівнянь в системах (2) і (4), яка в повній мірі відображає вплив сукупності параметрів реальних електротехнологічних режимів ДСП на технічний стан ЕТО і СЕ комплексів. Наприклад, в силових трансформаторах слід враховувати не тільки електромагнітні процеси, але й електродинамічні, теплові та ін.

Для отримання стійкого рішення пряму цільову функцію слід аналізувати на максимум, а зв'язану – на мінімум. Оскільки матриці при невідомих в системах (2) і (4) є транспонованими, то тут одночасно слід враховувати поєднання параметрів РЗСН і ЕТО. Подальші перетворення зводяться до класифікації характерних рис і параметрів та формування їх по характеру впливу на ЕТО і СЕ. На рис.3 приведена графічна інтерпретація методу багатопараметричного цільового функціонала для знаходження оптимальних кратностей еквівалентного струму силового трансформатора в мережі ЕТК у складі ДСП-100. Обмежуючими параметрами є додаткові втрати потужності, які не повинні перевищувати нормованих показників.

Вплив ймовірних характеристик різкозмінних навантажень ЕТК у складі групи ДСП-100 досліджувався для системи з мережними трансформаторами на 220/35 кВ, електропічних трансформаторів і чотирьох ДСП-100. Мінімальна тривалість усереднювання різкозкозмінного навантаження за часом вибиралась за умови мінімально допустимої відносної похибки, а тривалість реалізацій - за умови мінімізації відносної середньоквадратичної похибки. Результати досліджень приведені на рис.4. Як видно з рис.4 приведені залежності відносної похибки дисперсії активної (криві 1 і 3) і реактивної (криві 2 і 4) складових потужності ЕТК у складі однієї ДСП-100 від часових інтервалів усереднювання зростають, а тривалість реалізації (крива 5) від кількості працюючих ДСП-100 в групі зменшується. Порівняльний аналіз, приведений на рис.5, коефіцієнтів максимуму (криві 1,2), 30-хвилинного максимуму (криві 3,4) активної і реактивної потужності ЕТК залежно від кількості ДСП 100 в групі свідчить, що при розрахунках потужностей ЕТК слід враховувати запропоновану методику усереднення. При спільній роботі чотирьох і менше ДСП в групі сумарні графіки активної і реактивної потужності мають практично нормальний закон розподілу ймовірностей. Отримано також залежності середньоквадратичної похибки дисперсіїї при усередненні потужності при різкозмінному навантаженні від тривалості реалізації при роботі ЕТК у складі однієї, двох, трьох і чотирьох ДСП-100. Показано, що при розрахунках статистичних показників різкозмінних навантажень ДСП з вірогідністю 0,98 і граничною похибкою 5% необхідно дослідити декілька електротехнологічних процесів.

Багатопараметричне комп'ютерне моделювання різкозмінних навантажень і нестаціонарних електромагнітних процесів в масивних деталях ЕТК виконувалося згідно розробленої структурної схеми взаємозв'язків між сукупністю характерних рис електротехнологічних режимів ДСП при регульованих несиметрії і несинусоїдальності навантажень ДСП, яка приведена на рис.6. Функціональне призначення блоків та принцип моделювання полягає в наступному: Із джерела змінної напруги сигнал подається на формувач несинусоїдальності 2, а потім на імітатор несиметрії 3 і модель досліджування 4. Ці блоки взаємопов’язані з метою формування потрібних співвідношень коефіцієнтів несиметрії і несинусоїдальності за допомогою блока управління 6. Отримані результати сукупності параметрів різкозмінних навантажень та нестаціонарних електромагнітних процесів рееструються за допомогою блоків 5 та 7 у вигляді осцилограм та чисельних значень, відповідно.

Результати досліджень приведені на рис.7. З рис.7 видно, що осцилограми струму (а), напруженості електричного поля (б) і магнітного потоку в поверхневому шарі (в) при імітаційному моделюванні нестаціонарних електромагнітних процесів у феромагнітних деталях ЕТК при коефіцієнті несиметрії струму (Кfi=53%), і відповідні спектральні склади вищих гармонік ідентичні відповідним параметрам при фізичному моделюванні, які приведені на рис.8.

Залежності вищих гармонік від несинусоїдальності струму при дослідженнях втрат в деталях приведена на рис.9. Порівняльний аналіз приведених результатів комп’ютерного моделювання нестаціонарних електромагнітних процесів у масивних феромагнітних деталях з фізичним показав ідентичність отриманих результатів. Перевагою розробленого комп’ютерного моделювання є висока оперативність і можливість отримання великої кількості досліджень з різними співвідношеннями коефіцієнтів несиметрії, несинусоїдальності і ймовірних параметрів електротехнологічних режимів при досить незначних витратах.

Математична модель втрат потужності в СЕ енергоємних ЕТК дозволяє досліджувати втрати потужності на окремих ділянках мережі, а також в ЕТО залежно від конкретної фази електротехнологічного процесу ДСП. ЇЇ рішення отримано з використанням матричного метода Гауса.

У третьому розділі приведена математична модель для дослідження впливу сукупності параметрів різкозмінних режимів ДСП і втрат в системах ЕТК. Вона розроблена згідно еквивалентної схеми, яка приведена на рис. 10.. Напругу фаз щодо електропічного трансформатора представляємо в наступному вигляді (5):

(5)

де І - фазні струми; R - активний опір; L - власні індуктивності; ? - промислова частота.

Перетворивши реактивні складові опору, що становлять і , приходимо до наступного виразу для потужностей окремих фаз:

, (6)

. (7)

За таких умов активна і реактивна потужності в кожній фазі будуть не рівні, а повна потужність комплексу буде визначатися наступним рівнянням:

. (8)

Враховуючи вплив вищих гармонік рівняння (8) перетворимо до наступного вигляду:

, (9)

де kЄП - коефіцієнт еквівалентування втрат потужності.

Результати досліджень, показали, що втрати потужності від різкозмінного навантаження мають нелінійну залежність і при несинусоїдальності 40% збільшуються до 12%, а при при тійже несинусоїдальності і несиметрії струму 25% втрати зростають до 29,2%. Перша гармоніка різкозмінного струму в мережі ЕТО в залежності від несинусоїдальності зменшується на 21%, а третя і пята зростають до 40% і 12%, відповідно.

Дослідження нестаціонарних електромагнітних процесів ЕТК у складі ДСП і ТКРП виконані з урахуванням гальванічних зв'язків ЕТО, ТКРП, ДСП і електропічних трансформаторів. У складі ТКРП враховано фільтри вищих гармонік (ФКЦ) і тиристорно-реакторні групи (ТРГ), які по мережі 35 кВ гальванічно зв'язані з електропічними трансформаторами. Електротехнологічні короткі замикання, струми включення, несиметрія і несинусоїдальність є причиною формування і розвитку нестаціонарних електромагнітних параметрів в колі електропічний трансформатор - ТКРП. Рішення відшукуємо вважаючи, що електромагнітні процеси є складовою частиною узагальненого вектора.

Вхідні параметри струму і напруги позначимо [вх()], а вихідні - [вих()]. Ці вектори взаємопов'язані за допомогою внутрішніх характеристичних параметрів і електромагнітних процесів. В узагальненій формі їх представляємо в наступному вигляді:

(10)

Матриця [q()] є характеристичною і отримана рішенням системи рівнянь (10). Матриці [q()] і [v()] рівні по модулю і зворотні одна одній.

(11)

Пошукові вихідні параметри в залежності від вхідних навантажень аналізуємо відповідно до рівняння (12):

(12)

Задаючи вхідні струми і напругу, а також враховуючи опори і параметри мережі, можливо моделювати різкозмінні навантаження ЕТК. На цій моделі відпрацьовані принципові основи імітаційного моделювання опорів і провідності системи. Слід відзначити, що при дослідженнях краще вдаватися до методів дискретизації на характерних інтервалах часу. В якості початкових умов використовуємо систему рівнянь (13):

, (13)

де , (14)

, , - можливі інтервали зміни активного, реактивного і ємнісного опорів; Rа, Rх, Rс - номінальні значення відповідних величин. Додатковою умовою є незмінність номінальних і нормованих параметрів. Еквівалентна схема модельної задачі (а) і можливі інтервали зміни індукції в магнітній системі електропічного трансформатора (б) показані на рис.11.

Ферорезонансні електромагнітні процеси в мережі 35кВ ЕТК виконувалися відповідно до схеми, приведеної на рис.12. Рівняння балансу опорів повинні задовольняти наступному диференціальному рівнянню:

. (15)

Для періодичного процесу, вводячи функції, які залежать від часу і , відшукуємо рішення у вигляді , яке повинно бути також періодичним, приходимо до модифікованого рівняння Хілла (16):

. (16)

В(16)прийнято:

При електротехнологічних коротких замиканнях і під час включення електропічного трансформатора індуктивності стрижнів трансформатора відрізняються. Це призводить до перерозподілу опорів окремих фаз в колі, що досліджується. При певному співвідношені реактивного і ємністного опорів мають місце нестаціонарні електромагнітні і резонансні процеси. Рішення модельної задачі (16) для будь-яких миттєвих моментів часу і можливих варіацій опорів приведені на рис.13. З рис.13 (а) видно, що амплітуди коливального процесу (f) залежно від змінних опорів і електромагнітних параметрів (F) змінюються до 38%. При зміні частоти в досліджувальному колі (див. рис.13 (б)) з лінійними (крива1) і нелінійними (криві 2-5) параметрами кола 35кВ: ДСП - ТКРП – ЕПТ. Амплітуда струмів змінюється в залежності від співвідношення власних частот та прикладеної напруги. На рис.13 (в) приведені змодельовані вимушені (крива 1), вільні (крива 2) і резонансні (крива 3) коливальні процеси струму у досліджуваному контурі мережі.

Порівняльний аналіз осцилограм експериментальних досліджень в умовах реальної експлуатації у ФКЦ другої гармоніки і ТРГ в момент включення електропічного трансформатора ДСП-2 на холостий хід, та змодельованих на комп'ютерній і фізичній моделях показав, що похибка між отриманими результатами не перевищує 7%.

У четвертому розділі приведено математичну модель впливу РЗСН на інтенсивність шуму і його склад в спектрі октавних частот. Шум є інтегральною величиною, яка залежно від просторово-часових координат і прийнятих початкових умов описується наступним диференціальним рівнянням (17).

. (17)

Рішення задачі відшукуємо за умов обмеження просторових координат та умов розповсюдження звукової потужності в навколишньому просторі. На підставі фізичної визначеності, вводячи обмеження членів нескінченої системи диференціальних рівнянь і використовуючи формулу Лейбніца, приходимо до модифікованої задачі Коші для знаходження :

(18)

де n=2,3. . ; ; , .

Це є математична модель яка дозволяє аналізувати вплив октавних частот в загальних шумових характеристиках. При вирішенні практичних задач систему рівнянь (18) зручніше вирішувати, перетворивши її в наступне диференціальне рівняння другого порядку в часних похідних:

. (19)

Інженерні розрахунки шуму трансформаторів зручно виконувати щодо узагальнених параметрів згідно спрощеному виразу (20):

, (20)

де М - постійні для конструкції трансформатора, що досліджується; -динамічна магнітострикція уздовж прокатки при індукції 1,6 Тл; - коефіцієнт анізотропії магнітострикції електротехнічної сталі; В- індукція в магнітній системі, Тл; - коректуючий коефіцієнт при зміні індукції: при Тл; 120, при Тл; 140. Перший додаток представляє собою рівень шуму базового масляного трансформатора (на відстані 0,3 м) при індукції 1,62 Тл. Виконані розрахунки і вимірювання рівнів шуму для трансформаторів типових потужностей 10-32 МВА на клас напруги 35 кВ показали задовільну збіжність, (похибка не перевищує 6%). Показано, що за вимірюваними рівнями шуму в спектрі октавних частот можна передбачити наявність формування відхилень в магнітній системі і деталях конструкції.

У п'ятому розділі приведені спеціалізовані методики для експериментальних досліджень і моделювання РЗСН і нестаціонарних електромагнітних процесів у ЕТО і мережах електропостачання ДСП.

Спеціалізований стенд фізичного моделювання РЗСН і електромагнітних процесів використовувався для формування різкозмінних навантажень регульованої несинусоїдальності, несиметрії і електротехнологічних коротких замикань розроблено відповідно структурної схеми, яка приведена на рис.14.

Живлення стенда виконувалось від генератора напруги 1, регульованої частоти в межах 45-500 Гц. Основними елементами спеціалізованого стенду є моделюючий блок 2, за допомогою якого досягаються потрібні співвідношення опору досліджуваного об’єкта і мережі, а також формувач несиметрії і несинусоїдальності струму 3. Ці сильноточні елементи схеми забезпечували стабільність випробувальних режимів і дозволяли формувати різкозмінні струми при заданих коефіцієнтах несиметрії і несинусоїдальності за допомогою регулятора 4. Співвідношення активної і реактивної складових потужності регулювались за допомогою блока 5. Вищі гармоніки і коефіцієнт несинусоїдальності вимірювались аналізатором спектра і частотних характеристик 6 і 7, відповідно. Блоки 8, 9 і 10 використано для перетворення струму, а також реєстрації складових потужності і струму. У деталях конструкції 14 фізичної моделі 11 встановлено термопари 13. Втрати в деталях визначались по градієнту електрорушійної сили термопар, який реєструвався за допомогою пристрою 12. Короткозамикач 15 призначено для подачі напруги режима короткого замикання фізичної моделі.

Спеціалізований пристрій для класифікації різкозмінних струмів призначений для експериментального дослідження і систематизації навантажень ДСП за кратностями, тривалістю, кількістю і характером. Його науково-технічна новизна підтверджена авторським свідоцтвом, а структурна схема приведена на рис.15. Пристрій використовувався переважно для реєстрації струмів, які перевищують номінальні і нормативно допустимі державними стандартами. Спеціалізований пристрій розроблено в трьох модифікаціях, що відрізняються між собою призначенням, методологією аналізу, реєстрації і класифікації різкозмінних струмів, а також елементною і програмно-логічною базою. За допомогою перетворювача 1 первинна інформація передається на піковий детектор 2, а потім на блок масштабування 3. В аналого-логічному блоці 4 отримана інформація порівнюється з номінальним струмом і передається до програмно-аналітичного блока 5. Потім аналізуєма інформація подається до блоків класифікації по кратностям 6 і тривалості 7. У відповідності до ступенів генератора тактових імпульсів аналізуєма інформація порівнюється з нормованими межами по кількості, тривалості, кратності і характеру і передається до блока пам'яті і збереження 10. Отримані результати досліджень знімаються візуально з блока індикації 11, або передаються на диспетчерський пульт управління ЕТК.

Аналіз сумарної кількості характерних рис різкозмінних навантажень ДСП використовувався для накопичення інформації при дослідженнях умов експлуатації і режимів, а також технічного стану ЕТО в системах потужних ЕТК.

Дослідження сукупності параметрів різкозмінних навантажень і електромагнітних процесів в ЕТО ЕТК виконувались для експериментального підтвердження основних теоретичних положень, рішень модельних задач і визначення причинно-наслідкових факторів аварійності мережних трансформаторів за допомогою спеціалізованого пристрою, структурна блок-схема якого показана на рис.16. Загальна кількість струмів включає більше дискретних інтервалів за кратностями струмів включення, коротких замикань, поштовхів, електротехнологічних режимів ДСП за виразом:

(21)

де П-кількість перевищень струмів різкозмінних навантажень; І- струм; k-кількість інтервалів за кратностями; - кількість