blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-9-726-731blackmet-1142Research ArticleРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИRESOURCE SAVING IN FERROUS METALLURGYМОДЕЛИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВSIMULATION OF SWITCHING OVERVOLTAGES IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF METALLURGICAL PLANTSШпигановичА. А.ShpiganovichA. A.

доктор технических наук, профессор кафедры электрооборудования. 

398600, Россия, Липецк, ул. Московская, 30.

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Electrical Equipment.

Lipetsk.

kaf-eo@stu.lipetsk.ruФедоровО. В.FedorovO. V.

доктор технических наук, профессор кафедры управления инновационной деятельностью.

603950, Россия, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

 

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of the Innovation Activity Management .

Nizhny Novgorod.

ffov52@mail.ruПушницаК. А.PushnitsaK. A.

 кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования. 

398600, Россия, Липецк, ул. Московская, 30.

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Electrical Equipment. 

Lipetsk.

kostpa@mail.ruЧуркинаЕ. В.ChurkinaE. V.

старший преподаватель кафедры электрооборудования. 

398600, Россия, Липецк, ул. Московская, 30.

Senior Lecturer of the Chair of Electrical Equipment. 

Lipetsk.

ekas2534@yandex.ruЛипецкий государственный технический университет.РоссияLipetsk State Technical University.Russian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.РоссияNizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alexeev.Russian Federation201702102017609726731Copyright © Шпиганович А.А., Федоров О.В., Пушница К.А., Чуркина Е.В., 20172017Шпиганович А.А., Федоров О.В., Пушница К.А., Чуркина Е.В.Shpiganovich A.A., Fedorov O.V., Pushnitsa K.A., Churkina E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1142

В работе отмечается, что развитие промышленности будет осуществляться в рамках государственной программы, согласно которой предусматривается развитие промышленных предприятий, в том числе предприятий металлургического цикла. Такие предприятия  представляют собой комплексные хозяйства и объединения различного масштаба, продукция которых имеет важное стратегическое значение. Для надежного функционирования металлургических предприятий требуется адекватная система электроснабжения, обладающая  высокой энергоэффективностью и минимально возможной энергоемкостью. Большинство приемников металлургических производств  относятся к первой категории надежности электроснабжения, что предъявляет высокие требования к их системам электроснабжения. Рассмотрены системы электроснабжения металлургических предприятий. Показано, что на систему электроснабжения могут воздействовать  различные негативные факторы, в том числе коммутационные перенапряжения. Такие перенапряжения могут иметь высокочастотный  характер и возникают при срабатывании вакуумных выключателей. Их появление обусловлено механизмом гашения дуги в вакууме (повторные зажигания дуги, срез тока, эскалация напряжения). Перенапряжения снижают уровень надежности систем электроснабжения,  что может привести к длительному отключению ответственных потребителей. Наиболее уязвимыми к перенапряжениям элементами систем электроснабжения являются электродвигатели, изоляция которых обладает наименьшим запасом электрической прочности. Типовые  средства защиты (разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений, искровые промежутки) малоэффективны для ограничения перенапряжений, имеющих высокочастотный характер. Для ограничения перенапряжений подобного рода все большее применение находят  защитные RC-цепочки. Однако их применение должно сопровождаться достаточно точным моделированием, так как неправильный выбор  их параметров может привести в некоторых случаях даже к ухудшению процесса коммутации. Все это обуславливает важность задачи  выбора оптимальных параметров защитных RC-цепочек и схем их соединения. Выявлена типовая схема электропитания и проведено  моделирование коммутационных перенапряжений, возникающих в подобной схеме. Для построения модели фрагмента системы электроснабжения применялся пакет Mathlab. При создании модели использовались как уже известные положения, так и впервые предложенные  авторами, что обеспечило модели большую точность. Полученные результаты представлены в виде осциллограмм и осуществлено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Относительная погрешность результатов составила менее 5 %. Даны рекомендации по  построению рациональных систем электроснабжения металлургических предприятий, позволяющие снизить негативные возмущения,  действующие на такие системы.

 The article describes the development carried out within framework of the state program, which provides development of industrial  enterprises, including enterprises of metallurgical cycle. Such enterprises are complex plants and associations of vario us scales whose  production has important strategic significance. For reliable functioning of metallurgical enterprises, the adequate power supply system  with high energy efficiency and minimum possible power consumption is required. Most receivers of metallurgical production belong  to the first category of reliability of electricity supply that makes  high demands on their power systems. The power supply systems of  metallurgical companies are considered. It is shown that the power  supply system may be affected by various negative factors, including the switching overvoltages. Such overvoltages can have high frequency character and occur when triggered vacuum swit ches. Their  appearance is caused by the arc interruption mechanism in vacu um  (arc reignition, current chopping, voltage escalation). Overvoltages  reduce level of reliability of power supply systems that can lead to  long outage of responsible consumers. Most vulnerable to overvoltages elements of power supply systems are electric motors whose  isolation has the smallest margin of electric strength. Typical means  of protection (spark-gapped arresters, metal-oxide surge arresters,  spark gaps) are ineffective for limiting the overvoltages with high  frequency character. To limit overvoltages of this kind protective RC  circuits are increa singly used. However, their application must be accompanied by fairly accurate simulation, because the wrong choice  of their parameters can lead to deterioration of switching process. All this causes importance of the problem of choosing the optimal  parameters of protective RC circuits and their connection schemes.  The typical power supply scheme was identified and simulation of  the switching overvoltages arising in the similar scheme was carried  out. MathLab package was applied to build the model of a fragment  of the power supply system. Du ring crea tion of the model there were  used already known provisions and provisions for the first time offered by the authors that provide the larger accuracy to the mo del.  The received results are presented in the form of oscillograms and  comparison of experimental and calculated data was performed. The  relative error of the results was less than 5  %. The recommendations  for the construction of rational power supply systems of metallurgical companies allowing to reduce negative disturbances, acting on  the such systems are given.

 металлургические предприятия система электроснабжения моделирование коммутационные перенапряжения асинхронный  электродвигатель вакуумный выключатель RC-цепочкиmetallurgical companies power supply system simulation  switching  overvoltages  asynchronous  motor  vacuum  breaker  RC  circuitsReferencesРоссийская Федерация. Правительство. Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» [Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 328] // Собрание законодательства РФ. 05.05.2014. № 18 (часть IV). Ст. 2173.On approval of the state program of the Russian Federation “Development of industry and increasing its competitiveness”, Russian Federation Government Resolution of 15 April 2014, no. 328.  Sob ranie zakonodatel’stva RF. 2014, no. 18, Part. IV , art. 2173. (In  Russ.).Леушина Л.И., Кошелев О.С., Леушин И.О. Повышение энергоэффективности стального литья по выплавляемым моделям // Заготовительные производства в машиностроении. 2015. № 5. С. 3 – 6.Leushina L.I., Koshelev O.S., Leushin I.O. Increase in power efficiency of steel investment casting. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2015, no. 5, pp. 3–6. (In Russ.).Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1980. – 456 с.Spravochnik po proektirovaniyu elektrosnabzheniya [Handbook to  the design of power supply]. Krupovich V.I., Barybin Yu.G., Samover M.L. eds. Moscow: Energiya, 1980, 456 p. (In Russ.).Шпиганович А.Н., Захаров К.Д.. Внутризаводское электроснабжение и режимы: Учебник. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 742 с.Shpiganovich  A.N.,  Zakharov  K.D.  Vnutrizavodskoe elektrosnabzhenie i rezhimy: uchebnik [Internal power supply and modes:  Textbook]. Lipetsk: LGTU, 2007, 742 p. (In Russ.).Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А. Безотказность систем. – Липецк: ЛГТУ, 2016. – 344 с.Shpiganovich  A.N.,  Shpiganovich  A.A.  Bezotkaznost’ sistem: monografiya [Reliability of systems: Monograph]. Lipetsk: LGTU,  2016, 344 p. (In Russ.).Российская Федерация. Правительство. Об утверждении энергетической стратегии России на период до 2030 года [Распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 № 1715-р] // Собрание законодательства РФ. 30.11.2009. № 48. Ст. 5836.On approval of the energy strategy of Russia for the period till 2030,  Russian Federation Government Decree of 13.11.2009 no. 1715-r.  Sobranie zakonodatel’stva RF. 2009, no. 48, art. 5836. (In Russ.).Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю.Г. Барыбина, Л.Е. Федорова, М.Г. Зименкова, А.Г. Смирнова. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.Spravochnik po proektirovaniyu elektrosnabzheniya [Handbook to  the design of power supply]. Barybin Yu.G., Fedorov L.E., Zimenkov M.G., Smirnov A.G. eds. Moscow: Energoatomizdat, 1990, 576  p. (In Russ.).Шпиганович А.Н., Гамазин С.И., Калинин В.Ф. Электроснабжение: Учеб. пособие. – Елец: ЕГУ им. И.А. Бунина, – Липецк: ЛГТУ, 2005. – 90 с.Shpiganovich A.N., Gamazin S.I., Kalinin V.F. Elektrosnabzhenie: ucheb. posobie [Power supply: Textbook]. Elets: EGU im.  I.A.  Bunina, Lipetsk: LGTU, 2005, 90 p. (In Russ.).Зацепин Е.П. Несимметричные режимы систем электроснабжения электросталеплавильных производств // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2012. № 1. С. 18 – 22.Zatsepin  E.P. Asymmetric  modes  of  power  supply  systems  of  electric  steel  manufactures.  Vesti vysshikh uchebnykh zavedenii Chernozem’ya. 2012, no. 1, pp. 18–22. (In Russ.).Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шпиганович А.А. Минимизация провалов напряжения при совместной работе группы дуговых сталеплавильных печей // Промышленная энергетика. 2009. № 1. С. 22 – 24.Zatsepina V.I., Zatsepin E.P., Shpiganovich A.A. Minimization of  voltage dips at joint work of the group of electric arc furnaces. Promyshlennaya energetika. 2009, no. 1, pp. 22–24. (In Russ.).Зацепина В.И., Зацепин Е.П. Статистический анализ искажений напряжения в системах передачи, распределения и потребления электрической энергии // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. № 3. С. 24 – 28.Zatsepina V.I., Zatsepin E.P. Statistical analysis of voltage distortion in power transmission, distribution and consumption systems.  Vesti vysshikh uchebnykh zavedenii Chernozem’ya. 2011, no. 3,   pp.  24–28. (In Russ.).Zatsepin E.P., Galkin A.V . Electromagnetic-field distribution in a refined-slag layer in ladle–furnace units // Steel in Translation. 2015. No. 7. P. 473 – 477.Zatsepin E.P., Galkin A.V . Electromagnetic-field distribution in a  refined-slag layer in ladle–furnace units. Steel in Translation. 2015,  no. 7, pp. 473–477. (In Russ.).Федоров О.В., Немцев А.Г. Влияние электротехнических комплексов с несинусоидальной характеристикой на систему электроснабжения // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 166 – 174.Fedorov O.V., Nemtsev A.G Influence of electrotechnical complexes  with non-sinusoidal characteristic on power supply system. Vestnik Chuvashskogo Universiteta. 2012, no. 3, pp. 166–174. (In Russ.).Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения: Справочник: Учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. – 480 с.Opoleva  G.N.  Skhemy i podstantsii elektrosnabzheniya: Spravochnik: ucheb. posobie [Schemes and substations of power supply:  Handbook: Manual]. Moscow: FORUM: INFRA-M, 2006, 480 p.  (In Russ.).Правила устройства электроустановок: утверждено Министерством энергетики РФ 08.07.02: ввод в действие с 01.01.03. – 7-е изд. – СПб.: ДЕАН, 2008. – 703 с.Pravila ustroistva elektroustanovok: utv. M–vom energetiki Ros. Federatsii 08.07.02: vvod v deistvie s 01.01.03 [Regulations for  electrical installations]. 7nd ed. St. Petersburg: DEAN, 2008, 703  p.  (In Russ.).Маньков В.Д. Основы проектирования систем электроснабжения: Справочное пособие. – СПб.: НОУ ДПО «УМИТЦ «Электросервис», 2010. – 664 с.Man’kov V.D. Osnovy proektirovaniya sistem elektrosnabzheniya: spravochnoe posobie [Bases of design of power supply systems:  Reference book]. St. Petersburg: NOU DPO “UMITTs “Elektroservis”, 2010, 664 p. (In Russ.).Евдокунин Г.А., Тилер Г. Вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики). – СПб.: Изд-во Сизова М.П., 2002. – 148 с.Evdokunin G.A., Tiler G. Vakuumnaya kommutatsionnaya tekhnika dlya setei srednego napryazheniya (tekhnicheskie preimushchestva i ekspluatatsionnye kharakteristiki)  [Modern  vacuum  switching  equipment  for  medium  voltage  networks  (technical  advantages  and operational characteristics)]. St. Petersburg: Izdatel’stvo Sizova  M.P., 2002, 148 p. (In Russ.).Качесов В.Е., Шевченко С.С., Борисов С.А. Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями двигательной нагрузки и их мониторинг // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6 – 35 кВ: Тр. III Всероссийской науч.-технич. конф. – Новосибирск, 2004. С. 90 – 96.Kachesov  V.E.,  Shevchenko  S.S.,  Borisov  S.A.  Overvoltages  at switching by vacuum circuit breaker of motor load and their  monitoring. In: Ogranichenie perenapryazhenii i rezhimy zazemleniya neitrali setei 6-35 kV: Trudy III Vserossiiskoi nauchnotekhnicheskoi konferentsii [Overvoltages limitation and neutral  grounding modes networks 6-35 kV: Proceedings of the 3rd AllRussian Scien tific and Technical Conference]. Novosibirsk, 2004,  pp. 90–96. (In Russ.).Иванов А.В., Дегтярев И.Л. Теоретическое и экспериментальное исследование электрофизических процессов и характеристик вакуумной дугогасительной камеры при коммутации электродвигателей // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2007. № 1. Режим доступа: http://ogbus.ru/authors/IvanovAV/IvanovAV_1.pdf.Ivanov A.V., Degtyarev I.L. Theoretical and experimental study of  the electrical characteristics and processes of vacuum interrupter  during motors switching. Neftegazovoe delo. 2007, no. 1. Electronic  resource. Available at URL: http://ogbus.ru/authors/IvanovAV/IvanovAV_1.pdf (In Russ.).Захаров К.Д., Пушница К.А. Комбинированный трехфазный резистивно-емкостной ограничитель перенапряжений // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2009. № 3. С. 29 – 33.Zakharov K.D., Pushnitsa K.A. Combined three-phase resistivecapacitive overvoltages limiter. Vesti vysshikh uchebnykh zavedenii Chernozem’ya. Nauchno-tekhnicheskii i proizvodstvennyi zhurnal.  2009, no. 3, pp. 29–33. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.