автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование и разработка математических моделей силового электрооборудования, повышающих достоверность анализа его эксплуатационной надёжности и электромагнитной совместимости с биосферой

На правах рукописи

003063906

КАНДАКОВ СЕМЕН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, ПОВЫШАЮЩИХ ДОСТОВЕРНОСТЬ АНАЛИЗА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ С

БИОСФЕРОЙ

Специальность 05 14 12 - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2007

0 7 ИЮН 2007

003063906

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Кира Пантелеймоновна Кадомская

доктор технических наук, профессор Колечицкий Егор Сергеевич

кандидат технических наук Ивановский Александр Львович

Ведущая организация

Федеральное Государственное научное учреждение Научно Исследовательский Институт

Высоких Напряжений (г Томск)

Защита состоится « 21» июня 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212173 01 в ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» по адресу 630092, Новосибирск, пр-т К Маркса 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан « чЬ^Д 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Тимофеев Иван Петрович

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.1, Актуальность темы. В настоящее время в электроэнергетику внедряется оборудование нового поколения, обладающее рядом свойств и особенностей, которые необходимо учитывать при его производстве, проектировании, монтаже и эксплуатации К этому оборудованию следует отнести находящие широкое применение вакуумные выключатели, имеющие «жесткие» дугогасительные свойства и обуславливающие протекание высокочастотных электромагнитных переходных процессов при их коммутациях, газоизолированные линии, применяемые для выдачи мощности крупными электростанциями и для ее ввода в густонаселенные города, кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена, обладающие рядом особенностей при их монтаже и эксплуатации, некоторые из которых будут рассмотрены в настоящей работе При вводе в эксплуатацию, а также уже в процессе эксплуатации некоторых электроэнергетических объектов нередко возникают технологические нарушения, связанные также с недостаточной проработкой пусковых и штатных коммутационных режимов, зачастую обусловленной применением при этом достаточно «грубых» математических моделей Так, например, из-за упрощенного моделирования силовых трансформаторов блоков электрических станций на стадии проведения предпроектных работ в эксплуатации нередко возникали резонансные процессы в его обмотках, приводившие к выходу фазы трансформатора из строя

Следовательно, как внедрению электрооборудования нового поколения, так и к проектированию объектов большой электроэнергетики, в состав которых входит ответственное силовое электрооборудование, должны предшествовать исследования по обеспечению его эксплуатационной надежности в широком спектре штатных и нештатных режимов и электромагнитной совместимости, в том числе и с биосферой Очевидно, что подобные исследования должны проводиться на корректных математических моделях, позволяющих получать результаты с приемлемой для решения сформулированных выше задач точностью Вместе с тем, применявшиеся до настоящего времени методы математического моделирования зачастую не позволяли получать необходимой точности, вынуждая исследователей выдвигать при их применении ряд гипотез и допущений, недостаточно доказанных и обоснованных

В последние десятилетия XX века происходило бурное развитие электронно-вычислительной техники Это повлекло за собой появление новых методов исследования различного рода физических явлений, в основном связанных с численным решением фундаментальных уравнений, лежащих в основе этих явлений К таким методам можно отнести и векторный метод

конечных элементов (ВМКЭ) После появления мощных ЭВМ и развития ВМКЭ появилась возможность проверки и уточнения ряда математических моделей как самого электрооборудования, так и разного рода штатных и нештатных коммутаций Вопросам уточненного моделирования характеристик электрооборудования и стационарных и переходных электромагнитных процессов, позволяющего в конечном итоге повысить надежность и эксплуатации электроэнергетических объектов при минимальном воздействии на биосферу и посвящена большая часть настоящей работы

1.2. Цель работы. Разработка методики численного расчета с помощью метода конечных элементов параметров многопроводных линий электропередач Исследование электромагнитной совместимости подводных кабельных линий трехфазного конструктивного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема Исследование теплового режима эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения при их прокладке в защитных стальных трубах Разработка высокочастотной схемы замещения силового трансформатора, позволяющей анализировать резонансные перенапряжения в его обмотках

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1 Разработана методика численного расчета первичных погонных параметров многопроводных линий электропередач, которая используется при решении задач, поставленных во всех остальных разделах работы Проведено сравнение результатов расчета параметров линий электропередач, полученных с помощью разработанной методики и с помощью ранее применявшихся методик

2 Проведен анализ электромагнитной совместимости кабельных линий подводного исполнения различных конструкций с ихтиофауной пересекаемого водоема

3 Исследован тепловой режим эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения (КЛ ОИ) с изоляцией из сшитого полиэтилена и разработаны способы обеспечения допустимого для них теплового режима при прокладке в защитных стальных трубах

4 Разработана многоэлементная схема замещения силового трансформатора, позволяющая достоверно решить задачу о возможности возникновения резонансных перенапряжений в обмотках силового трансформатора при разного рода возмущениях, которые могут возникнуть как в пусковом режиме объекта, так и при его нормальной эксплуатации.

1.3. Научная новизна работы

• Разработана методика расчета погонных параметров многопроводных линий, основанная на численном анализе электромагнитного поля

• Показано, что применение подводных кабельных линий трехфазного конструктивного исполнения с пофазно экранированными жилами обеспечивает приемлемую электромагнитную совместимость с ихтиофауной пересекаемого водоема

• Показано, что при объединении по концам защитных стальных труб трех фаз КЛ тепловыделение в них снижается практически в два раза

• Разработана многоэлементная схема замещения силового трансформатора, основанная на численных расчетах электромагнитных полей в его конструкции при учете схем соединения обмоток ВН и НН, конструкции магнитопровода и бака, а также доказана возможность возникновения в обмотках силовых трансформаторов резонансных перенапряжений высоких кратностей при реальных возмущениях со стороны высокого и низкого напряжений

1.4. Практическая значимость результатов работы:

1 Разработанные методики расчета погонных параметров многопроводных линий могут быть использованы при анализе электромагнитных переходных процессов в электроэнергетической системе при любых типах каналов передачи электрической энергии

2 Сформулированы основные требования к конструкции и способам прокладки КЛ подводного исполнения с точки зрения ЭМС с ихтиофауной пересекаемого водоема При этом показано, что использование КЛ трехфазного исполнения с пофазно экранированными жилами позволяет исключить опасное влияние ЛЭП на ихтиофауну пересекаемого водоема

3 Разработанную методику расчета тепловыделения в защитных стальных трубах КЛ ОИ целесообразно использовать при их проектировании и монтаже с целью исключения перегрева кабелей в таких конструкциях и сопутствующих аварий

4 Разработанная методика синтеза многоэлементной схемы замещения силового трансформатора может быть использована при анализе высокочастотных резонансных перенапряжений в его обмотках при любых причинах их возбуждения, а также может быть использована и при оценке требуемой электрической прочности изоляционных элементов трансформатора

5 Показано, что эксплуатация мощных силовых блочных трансформаторов с отключенным генератором в пусковых режимах блоков или при включении блока в первую очередь со стороны

высокого напряжения приводит возникновению опасных резонансных перенапряжений в обмотках трансформатора при ОДЗ на стороне низшего напряжения трансформатора

6 Проанализирована возможность повреждения изоляции силового трансформатора при грозовых поражениях молнией участков ВЛ, непосредственно примыкающих к РУ ВН блока, что обуславливает необходимость повышения грозоупорности воздушных подходов к ОРУ ВН

1.5. Основные положения выносимые на защиту:

1 Разработанная методика расчета погонных параметров многопроводных ЛЭП, основанная на численном анализе электромагнитных полей с помощью ВМКЭ

2 Прокладка подводных кабельных линий трехфазного исполнения безопасна для ихтиофауны пересекаемого водоема

3 Прокладка КЛ ОИ в защитных стальных трубах пофазно приводит к значительному перегреву кабелей, вызванному тепловыделением в защитных трубах Снизить тепловыделение практически в два раза возможно при помощи объединения защитных стальных труб по концам

4 Разработанная методика численного расчета многоэлементной схемы замещения силового трансформатора, позволяющая детально учитывать конструкцию его магнитопровода, обмоток и бака

5 Предложенные рекомендации по уменьшению вероятности возникновения резонансных перенапряжений в обмотках мощных силовых трансформаторов, заключающиеся

• в недопустимости эксплуатации силовых трансформаторов мощных станций в холостом режиме работы (при отключенном станционном генераторе),

• усилении грозозащиты подхода к РУ ВН блока, например, путем установки на ограниченном участке ВЛ защитных аппаратов типа ОПН на опорах ВЛ

1.6. Апробация работы. Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждалась на семинарах каф ТиЭВН и факультета энергетики НГТУ, а также на Всероссийских и Международных конференциях в Новосибирске, Томске, Москве, Санкт Петербурге и Монголии Результаты работы использованы при выполнении НИР по договору с Иркутским лимнологическим институтом (проведен анализ электромагнитной обстановки в озере Байкал при прокладке КЛ 35 кВ на остров Ольхон) и с ОАО «Запорожгрансформатор» (исследованы причины технологического нарушения трансформатора 500 кВ в пусковом режиме блока 1000 МВт Тяньваньской АЭС

(Китай)) Два акта внедрения результатов диссертационной работы включены в ее текст в виде соответствующих приложений

1.7. Публикации. По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы 22 научные статьи, в том числе три статьи в реферируемых изданиях ВАК (две статьи в журнале «Электричество», статья в научном вестнике НГТУ) и одна монография (в соавторстве)

1.8. Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений, изложенных на 187 страницах текста, списка использованных источников из 58 наименований Работа проиллюстрирована 19 таблицами и 87 рисунками

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий анализ современного состояния исследований по вопросам, рассматриваемым в диссертации, и обосновывается актуальность разрабатываемой темы Показаны научная новизна и практическая значимость работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первом разделе приведена методика расчета погонных параметров многопроводных линий электропередач различного конструктивного исполнения на основе прямого численного анализа уравнений Максвелла

Правомочность предложенной методики расчета частичных емкостей доказана экспериментально путем сравнения результатов расчета с измеренными значениями частичных емкостей кабеля 6 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией с сечением сплошных секторных жил 50 мм2 В результате эксперимента было установлено, что расхождение между измеренными и рассчитанными с помощью численного метода частичными емкостями кабеля с секторными жилами составляет 4 - 7 %, что вполне допустимо для большинства задач, так как не превосходит погрешности в исходных данных (диэлектрической проницаемости пропитанной бумаги и неточностях в геометрии секторных жил кабеля)

Математической моделью, описывающей распределение электромагнитного поля в плоскости сечения многопроводных линий электропередачи, является дифференциальное уравнение Гельмгольца в частных производных

" 1

го!

+ )0>УЛ (!)

02

-хоХА 1Я

где ца, уа - соответственно магнитная проницаемость и проводимость в каждой точке среды, со - частота гармонического электромагнитного поля,

д(р/дг - падение скалярного электрического потенциала на единицу длины проводников, А, - продольная составляющая векторного магнитного потенциала в каждой точке

Дифференциальный оператор отвечающий уравнению (1),

определяется следующим образом

"" 1

<?(4) = rot

-rot (А,)

(2)

В случае, если (ла,уа * /(А2) > оператор (2) можно переписать в виде

1

пЛ

А,

-rot( )

+ J<oya

(3)

(4)

Дифференциальный оператор £ является линейным, поэтому

4(а Аг)-а ^(4), где а любое число, в общем случае комплексное

Тогда в каждой точке рассматриваемой расчетной области справедливо следующее соотношение

ha = -y\jcoAz а + а

-Г\ }в>Аг +

д<р

где 5 - плотность тока проводимости, (А/мм2)

Переходя к интегралу от плотности тока по сечению проводника, получим

(5)

(6)

V / 5

где I - полный ток в рассматриваемом проводнике

Так как источником электромагнитного поля в рассматриваемой задаче является падение скалярного электрического потенциала на единицу длины проводника, то соотношение (6) означает, что

др

1 = у

dz

(7)

где у - комплексное число, имеющее размерность проводимости При наличии в расчетной области нескольких проводников полный ток в каждом из них является функцией градиента скалярного электрического потенциала во всех проводниках

1\=Уи д<Р\ + у12 д<р2 /& + + у1я д(рп /& 12=Уи д<Р1 /йг + у22 д(рг /Эг + + /дг

1п = >"»1 д^/дг + у^ д<р2 /& + + д(рп /& или в матричной форме

Соотношение (8) может быть переписано в виде

и = а^/э2 = у-1 \ = ъ I,

где и,1 - векторы-столбцы соответственно падений напряжений на единицу

длины проводников и токов в них, а Z - искомая матрица продольных сопротивлений системы проводников

Для определения всех элементов матрицы Ъ размерностью п х п необходимо провести п численных расчетов электромагнитного поля

Правомочность предложенной методики расчета продольных параметров доказана путем сравнения полученных результатов с аналитическим решением задачи определения комплексных сопротивлений двухпроводной линии при учете скин-эффекта и эффекта близости (табл 1)

Таблица 1

Сравнение результатов аналитического и численного расчетов комплексного сопротивления двухпроводной линии_

а!г0 Численно Аналитически Погрешность, %

Я, мОм/м X, мОм/м Я, мОм/м X, мОм/м «я «г

1 5 0 04317 0 15755 0 04319 015752 -0 046 0 0190

2 0 04033 019690 0 04031 019694 0 0495 -0 0203

25 0 03914 0 22640 0.03912 0 22643 0 0511 -0 0133

3 0 03853 0 25009 0 03850 0 25006 0 0779 0 0120

3 5 0 03818 0 26992 0 03819 0.26995 -0 0262 -0 0111

4 0 03795 0 28701 0 03798 0.28704 -0 0791 -0 0105

5 0 03768 0 31540 0 03769 0 31538 -0 0265 0 0063

6 0 03754 0 33850 0 03753 0 33853 0 0266 -0 0089

Сравнение результатов расчета комплексных сопротивлений газоизолированных линий трехфазного исполнения, полученных с помощью разработанной методики и применяемых ранее аналитических методик приведено в таблица 2

Проведенный анализ позволил заключить, что предложенный ранее аналитический метод расчета параметров ГИЛ обладает приемлемой погрешностью лишь до частот порядка 1 кГц, причем в большей степени это относится к реактивным сопротивлениям С ростом же частоты погрешность в определении сопротивлений возрастает достаточно существенно (вплоть до 100-120%) Причем наибольшая погрешность аналитического метода наблюдается при определении активных составляющих комплексных сопротивлений Изложенное позволяет рекомендовать к применению аналитическую методику только в низкочастотном диапазоне (до 1-3 кГц)

Таблица 2

Сравнение результатов аналитического и численного методов расчета

параметров ГИЛ

£Гц Ом/км Ом/км ^23> Ли Ом/км ^12) ^23, Ом/км

Анал Числ Анал Числ Анал Числ Анал Числ

50 0 0503 0 0540 0 1514 0 1486 0 0395 0 0404 0 0520 0 0511

500 0 2000 0 2094 1 1000 1 0909 0 1112 0 1238 0 2756 0 2526

5000 0 7000 0 7939 9 7000 9 0085 0 3000 0 3618 2 1000 1 6170

50000 2 2000 1 0789 91 900 86 6471 1 0000 0 4395 18 600 14 9933

А,% 7 103 05 6 4 127 2 24

В качестве примера реализации предложенных методик в диссертации приведены частичные погонные емкости и продольные погонные комплексные

сопротивления наиболее распространенных кабелей - кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией с секторными жилами стандартного ряда сечений

Во втором разделе исследована электромагнитная совместимость кабельных линий подводного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема

В практике электроэнергетического строительства в последние годы все чаще возникает необходимость передачи электроэнергии через водоемы Зачастую такой способ энергоснабжения островных или береговых объектов требует меньше затрат, чем строительство местных автономных электростанций, требующих постоянной поставки топлива, или сооружения перехода через водную преграду посредством воздушной линии Примерами подводной прокладки в отечественной электроэнергетике кабельных линий (КЛ) высокого напряжения (ВН) могут служить

- подводный кабельный переход 35 кВ через Анадырьский Лиман, осуществляющий передачу мощности в город Анадырь-2, расположенный на левом берегу Анадырьского Лимана от Анадырьской ТЭЦ, расположенной на правобережье,

- подводная кабельная линия 35 кВ в озере Байкал для передачи мощности на остров Ольхон с береговой подстанции

В первой из двух рассмотренных электропередач использовался кабель с пластмассовой изоляцией (КПИ) однофазной конструкции, в электропередаче на остров Ольхон - кабель трехфазного исполнения

Подводная прокладка кабельных линий (КЛ) высокого напряжения (ВН) приводит к ряду экологических проблем, связанных, в основном, с тремя потенциально опасными видами антропогенного воздействия на ихтиофауну механического, обусловленного образованием в воде мелких взвесей и изменением ее гидротехнического состава в период проведения строительно-монтажных работ при прокладке КЛ, теплового, обусловленного возможным локальным повышением температуры воды вблизи действующего кабеля, электромагнитного, за счет наличия в процессе эксплуатации КЛ электрического и магнитного полей вблизи трассы прокладки КЛ

Рис.1. Подводные кабельные пинии однофазного и трехфазного исполнения

Результаты исследований показали, что электромагнитная совместимость ихтиофауны с подводными КЛ однофазного исполнения зависит от следующих факторов

1 Конструктивного исполнения КПИ (толщины экрана и брони, а также материала из которого они выполнены - экран из меди или алюминия, броня из стальных проволок или комбинации из медных и стальных проволок) Перечисленные факторы определяют вихревые токи, протекающие по экрану и броне кабеля и, таким образом, влияющие на результирующее электромагнитное поле вблизи кабельной линии

2 Мощности, передаваемой по КПИ Этот фактор непосредственно определяет интенсивность ЭМП, так как ток, протекающий по жиле кабеля и являющийся первоисточником магнитного поля вокруг КЛ, зависит от передаваемой мощности

3 Способа прокладки КЛ на дне водоема, а также от удельной проводимости водоема и его ихтиологической характеристики (видового разнообразия рыб, условий их миграции и нереста),

4 Значений пороговой чувствительности характеристик ЭМП рыбами, величина которой зависит от вида рыбы, ее размеров и скорости движения, температуры воды и т д

В работе на основе численного решения поставленной задачи проведен анализ применимости предложенной ранее методики расчета плотности продольного тока в водной среде, инициируемого электромагнитным полем кабельной линии однофазного исполнения, не учитывающей эффект близости между близлежащими кабелями (таблица 3)

Таблица 3

Плотность продольного тока в водной среде на различном расстоянии от КЛ

мА/м2

г, м Конструкции подводных кабельных линий

КПИ ОИ

Свободная прокладка Треугольником вплотную

Расчет МКЭ Анал расчет Расчет МКЭ Анал расчет

0 71 00 72 30 13 50 9 783

0 25 50 00 50 50 2 010 2 054

0 50 45 51 44 20 1 140 1 076

1 0 39 50 37 91 0 600 0.549

20 34 01 32 60 0 260 0 276

Показано, что при свободной прокладке КЛ однофазной конструкции погрешность в определении плотности тока аналитическим методом по сравнению с численным расчетом при полном моделировании рассматриваемой

системы не превышает 2-4% При расположении же фаз КЛ в вершинах правильного треугольника вплотную погрешность в значениях плотности продольного тока на поверхности кабеля составляет 27%, что объясняется не учетом в аналитической методике эффекта близости

Для трехфазной конструкции кабеля аналитический расчет ЭМП в непосредственной близости от кабельной линии требует принятия определенных допущений (например, не учета эффекта близости в металлических элементах конструкции кабеля), которые могут привести к неоправданно заниженным значениям плотности тока в водной среде вдоль трассы подводной КЛ В этой связи анализ продольной плотности тока в водной среде по трассе прокладки КЛ трехфазного исполнения (КЛ ТИ) целесообразно осуществлять на основе прямого численного расчета уравнений ЭМП в системе «КПИ ТИ - водная среда - воздух»

Анализ экологической совместимости КЛ ТИ с ихтиофауной пересекаемого водоема произведен на примере КЛ, осуществляющей передачу электроэнергии с береговой части материка озера Байкал на остров Ольхон В этой линии был использован подводный кабель трехфазного исполнения фирмы ОТХАИБ со следующими техническими характеристиками номинальное напряжение кабеля - 35 кВ, сечение медной уплотненной жилы -70 мм2, сечение медного экрана - 25 мм2, наибольший рабочий ток - 245 А Основные расчетные геометрические размеры кабеля

радиус жилы - 4 95 мм, внутренний радиус экрана — 14 55 мм, внешний радиус экрана - 14 82 мм, внутренний радиус брони - 39 75 мм, внешний радиус брони - 43 72 мм, внешний радиус полиэтиленовой оболочки - 47 72 мм

тА/т г 45г

КЛ ОИ, на удалении КПТИ КЛ ОИ, треугольником

40

0„

•л---г-

40 45

0

10 1 5 20 25 30 35

Рис.2. Распределение плотности тока в водной среде при различных конструкциях и способах прокладки кабелей

Проведенный анализ (рис 2) показал, что плотность продольного тока в водоеме при горизонтальной прокладке кабелей однофазного исполнения на удалении 50-60 м фаз друг от друга значительно превышает допустимую плотность тока для электрочувствительных видов рыб Даже в случае прокладки кабелей однофазного исполнения в вершинах правильного треугольника наблюдается некоторое превышение порогового значения реакции возбуждения рыб В случае же прокладки кабеля трехфазного исполнения с пофазно экранированными жилами плотность продольного тока в непосредственной близости от кабеля не превосходит 50 мкА/м2 (при симметричной тройке токов в жилах кабеля), что на несколько порядков ниже допустимых пороговых значений, вызывающих реакцию возбуждения даже самых электрочувствительных рыб

В третьем разделе работы анализируются тепловые режимы эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения с изоляцией из сшитого полиэтилена

Применение в качестве изоляции сшитого полиэтилена позволило достигнуть некоторых преимуществ по сравнению с применением кабелей с бумажной изоляцией К ним можно отнести большую пропускную способность (за счет увеличения допустимой температуры жилы), высокий ток термической устойчивости, низкий вес, меньший допустимый радиус изгиба, а также отсутствие каких либо жидких компонентов в конструкции Все перечисленные преимущества предопределяют их востребованность при реконструкции существующих и проектировании новых электроэнергетических объектов Однако опыт эксплуатации показал, что при применении кабелей с СПЭ изоляцией в некоторых случаях происходят аварии, связанные с их перегревом либо в местах пересечении трассы КЛ с автодорогами, либо при их прокладке сквозь стены в защитных стальных трубах В настоящем разделе на основе разработанных уточненных математических моделей анализируются причины этих аварийных ситуаций и предлагаются меры по их предотвращению

В ходе исследований показано, что при отсутствии заземления по концам труб, вихревые токи, наведенные в стальных трубах токами в жилах и экранах кабелей, замыкаются целиком по толщине труб и не стекают с нее в землю На основе этой гипотезы сформированы соответствующие граничные условия при расчете электромагнитного поля в толще трубы и проведен численный анализ тепловыделения в стальной трубе с учетом характеристики намагничивания ее материала

С целью обобщения исследований была проведена серия расчетов, в которой варьировались диаметры защитных стальных труб На рис 3 приведены полученные зависимости суммарного тепловыделения на 1 м трубы при различных её диаметрах от тока в жиле кабеля Соответствующее

исследование показало, что диаметр (сечение) кабеля, проложенного в трубе, практически не влияет на тепловыделение о ней. Тепловыделение главным образом определяется магнитными свойствами материала грубы, ее диаметром, а также величиной тока в жиле кабеля.

На основе численного анализа уравнений теплового поля в исследуемой конструкции решена задача распределения температур в плоскости сечения кабеля, проложенного в стальной трубе. В разработанной методике в том чпеле учтены зависимости температуропроводности воздушной прослойки и электропроводности медной жилы И экрана кабелей от температуры (рис.4,5),

. -.

Л

Рис, 4, Разбиение расчётной области на конечные треугольные элементы

Рис. 5. Распределение температуры в плоскости сечения кабеля

стальных трубах различных диаметров

.Чиг/асе ГетрегМиге

\"с

Исследования покапли, что при номинальном ¡оке в кабеле и прокладке его в стальной грубо температуря жилы составляет 150 "С, что значительно Выше длитслщо допустимой температуры нагрева изоляции из сшитого полиэтилена <90 С). Очевидно, что ripir длительной работе кабеля в таком режиме неизбежны аварии. На рисунке 6 приведены фотографии сгоревших кабелей, е помощью которых осуществлялась выдача мощности от генераторов одной из ПГС. Причиной аварии послужила прокладка однофазны* кабелей в месте пересечения е автодорогой п стальных трубах. Следует отметить - натурные измерения па аварийных кабелях показали, что их температура была близка к ¡45 градусам. Это хорошо согласуется с результатами расчетов и может Служить критерием их достоверности.

1'ис. 6. Последствия прокладки силовых однофатых кабелей в стальных, трубах

В четвертом разделе приведена методика расчета параметров многоэлементной схемы замещения силового трансформатора, предназначенная, а основном, Для анализа резонансных пере напряжений в обмотках силового трансформатора.

В восьмидесятые годы XX столетия специалисты обратили серьезное внимание на возможность появления при разных ситуациях резонансных явлений в случае, если воздействие на обмотку содержит спектр частот, отвечающих внутренним частотам в обмотке трансформатора, представляющей собой совокупность индуктивных и емкостных элементов как относительно корпуса и магнитопро вода, так и между отдельными катушками Этот вопрос широко обсуждался па сессии СЮ RE [984 года. Основной вид повреждений при резонансных перенапряжениях - витковые повреждения. В докладах на этой сессии, как следует из их обзора, л основном, рассматривались резонансные перенапряжения, возбуждаемые со стороны высокого напряжения трансформатора. Тем не менее в одном из докладов приведено технологическое

нарушение, непосредственно последовавшее за коммутацией на стороне НН силового трансформатора

Еще одним примером подобной аварии может служить повреждение фазы силового трансформатора ОДЦ 417000/500 на строящейся Тяньваньской АЭС в Китае Первый блок Тяньваньской ГЭС к моменту технологического нарушения еще не эксплуатировался в режиме включенного генератора Трансформатор подключался к шинам 500 кВ дня питания собственных нужд 6 кВ при опробовании технологического оборудования В частности, за 8 минут до повреждения силового трансформатора неоднократно производилось включение и отключение главного циркуляционного насоса Анализ причин повреждения трансформатора, произведенный на предприятии-изготовителе, привел к выводу, что причиной технологического нарушения могут быть коммутационные перенапряжения, возникающие при отключенном генераторе на стороне 24 кВ трансформатора и трансформирующиеся в обмотку ВН, приводя к её повреждению

Исследования упомянутых и сходных аварий силовых трансформаторов, причиной которых могут служить резонансные перенапряжения в обмотках трансформатора, требуют в первую очередь синтеза многоэлементных схем замещения обмоток силовых трансформаторов, позволяющих детально учитывать как геометрию обмоток, магнитопровода и бака, так и физические свойства изоляционных и магнитных сред, входящих в конструкцию трансформатора

В диссертации на основе численного анализа электромагнитного поля в объеме трансформатора с помощью ВМКЭ, разработаны методики расчета параметров многоэлементной высокочастотной схемы замещения силового трансформатора (активных сопротивлений катушек обмоток, их индуктивностей и частичных емкостей), позволяющие детально учитывать геометрию его магнитопровода, обмоток и бака

Обмотки силового трансформатора разбивались на расчетные «элементы», включающие в себя группу из нескольких катушек Количество катушек в «элементе» выбиралось следующим образом, части обмотки, подверженные высоким градиентным перенапряжением (вблизи высоковольтного ввода, места заземления, а также в местах сопряжения катушек с разными геометрическими размерами и количеством витков), должны быть разбиты на «элементы» с наименьшим количеством катушек Крайне желательно в указанные «элементы» включать одну физическую катушку высоковольтной обмотки Остальные катушки можно группировать по несколько единиц (2-5) в одном «элементе»

В качестве примера в диссертации приведены параметры многоэлементной схемы замещения обмоток силового однофазного

трансформатора СЩЦ-417000/500, полученные путем реализации разработанных методик в пакете ANS YS Следует отметить, что результаты расчета суммарной емкости обмоток на магнитопровод, экраны и бак и взаимной емкости между обмотками хорошо согласуются с результатами экспериментальных измерений, проведенных на заводе-изготовителе трансформатора Сравнение результатов измерений и расчета приведено в таблице 4

Таблица 4

Сравнение измеренных и рассчитанных емкостей обмоток

трансформатора ОДЦ-417000/500 _

Емкости Свн, нФ СНН>нФ ^-"вн-нн' нф

Измерено 5 15 25 55 7 65

Рассчитано 6 65 25 79 7 79

На основе разработанной многоэлементной высокочастотной схемы замещения тр-ра ОДЦ-417000/500 резонансные частоты (рис 7) составляют «ЗОкГц, и «60 кГц При этих частотах возникают значительные продольные перенапряжения на катушках

Рис.7. Зависимость максимальных продольных напряжений на катушках в зависимости от частоты приложенного напряжения

Детальный анализ перенапряжений, возникающих в силовом трансформаторе при ОДЗ в сети генераторного напряжения (рис 8,9) с отключенным генератором показал, что на крайних регулировочных катушках возникают значительные градиентные перенапряжения, которые могут

превысить допустимое продольное напряжение. Характерно, что при авария, про*ш1аедигей на Тяньваньской Д ОС, были повреждены именно регулировочные катушки.

1*110.8. Компьютерные осциллограммы напряжений ни обмотке НИ Силового трансформатора при ОДЗ в сети генераторного напряжения

Рис.9. Распределение напряжения по аы со ко вол ьтно й обмотке при ОДЗ я сети генераторного напряжения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная работа позволяет сделать следующие выводы как методического характера так и по существу рассмотренных вопросов.

К основным методическим выводам можно отнести следующие:

1. Разработаны численные методики расчета первичных погонных параметров много ггро води их линий передачи электрической энергии с помощью прямого решения уравнений электромагнитного поля Максвелла векторным методом конечных элементов.

2. Достоверность разработанных методик проверена на ряде гсстоных задач, имеющих строгое аналитическое решений {задача расчета продольных параметров двухпроводной линии), а также экспериментально (методика численного расчета емкостных Параметров кабелей с секторными жилами),

3. Разработанные численные методики позволяют определять параметры много про водных линий как закрытого (ГИЛ, силовые и контрольный кабели), так и открытого исполнения (воздушные линии электропередач). При определении параметров ВЛ311 численным методом существует возможность учитывать неоднородность Грунта

(его многослойность) вдоль трассы ВЛ, оказывающую, в частности, существенное влияние на распространение по ней грозового импульса

4 Разработана численная методика расчета токов в экранах и броне кабелей различного конструктивного исполнения Достоверность предложенной методики проверена на задаче, имеющей строгое аналитическое решение - определения токов в экранах кабелей коаксиальной конструкции

5 Показано, что сопротивление заземления металлических оболочек по концам КЛ не влияет на токи в них в стационарном симметричном режиме работы

6 Аналитическая методика расчета плотности продольного тока в водной среде при анализе электромагнитной совместимости кабелей однофазного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема обладает существенной погрешностью при прокладке фаз кабелей вплотную

7 Разработана физико-математическая модель, предназначенная для оценки температуры кабелей при их прокладке в защитных стальных трубах Показано, что нелинейность характеристики намагничивания материала трубы оказывает существенное влияние на тепловыделение в ней Результаты математического моделирования хорошо согласуются с результатами натурных измерений

8 Разработана методика определения параметров многоэлементной схемы замещения обмоток силовых трансформаторов, позволяющая анализировать спектр резонансных частот обмоток Методика позволяет детально учитывать геометрию трансформатора, включая конструкцию магнитопровода, обмоток и бака

Основные выводы, касающиеся существа рассмотренных вопросов, можно сформулировать следующим образом:

Электромагнитная совместимость кабельных линий подводного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема.

Свободная прокладка подводных КЛ однофазного исполнения требует принятия специальных мер по уменьшению интенсивности ЭМП вдоль трассы их прокладки и обеспечения экологической безопасности для рыб, обитающих в пересекаемом КЛ водоеме При прокладке КЛ однофазного конструктивного исполнения приемлемая для ихтиофауны электромагнитная обстановка обеспечивается лишь при траншейной прокладке фаз в вершинах правильного треугольника Прокладка КЛ трехфазного исполнения (КЛ ТИ) с экранированными жилами не оказывает отрицательного влияния на ихтиофауну, что обусловлено конструкцией кабеля, обеспечивающей

практическое отсутствие в нормальном эксплуатационном режиме ЭМП за его пределами При подводной прокладке КЛ ТИ не требуется проведения каких-либо организационно-технических мероприятий по предотвращению негативных последствий от воздействия ЭМП для тех представителей ихтиофауны, которые обитают, мигрируют или нерестятся в пересекаемом КЛ водоеме Необходимо лишь ограничиться экологическим мониторингом на стадии прокладки кабельной линии

Анализ тепловых режимов эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения.

1 Прокладка силовых кабелей в защитных стальных трубах может приводить к появлению в последних существенного тепловыделения, вызванного протеканием вихревых токов по толщине трубы Направление вихревых токов совпадает с ориентацией оси кабеля, то есть является продольным Тепловыделение в защитных стальных трубах при прокладке в них КЛ ОИ значительно превышает «технологическое» тепловыделение в металлических элементах конструкций кабелей с большими номинальными токами (более 250300 А)

2 Тепловыделение в защитных стальных трубах существенно зависит от диаметра и толщины трубы Приведенные в работе зависимости тепловыделения в трубах и температуры жилы кабелей от тока при различных размерах труб могут быть использованы организациями, проектирующими и эксплуатирующими КЛ Установлено, что для уменьшения температуры КЛ ОИ, проложенных в стальных трубах, необходимо их прокладывать в трубах как можно большего диаметра

3 Предложен способ практически двукратного уменьшения тепловыделения в стальных трубах трех фаз кабелей при их пофазной прокладке путем металлического соединения труб по концам

4 Во всех случаях прокладки КЛ (пофазная прокладка, прокладка трех кабелей в общей стальной трубе) независимо от номинального тока кабеля при проектировании КЛ необходимо проведение соответствующих расчетов с целью обеспечения ее тепловой стойкости

Резонансные перенапряжения в обмотках мощных силовых трансформаторов.

1 На примере анализа условий эксплуатации силовых трансформаторов ОДЦ-417000/500 Тяньваньской АЭС показано, что эксплуатация мощных силовых трансформаторов в режиме холостого хода (с отключенным генератором) может приводить к возникновению опасных перенапряжений в трансформаторе В этом случае частота

переходных электромагнитных процессов при однофазном дуговом замыкании на землю в сети генераторного напряжения близка к резонансным частотам обмоток трансформатора, что может привести к нарушению междукатушечной изоляции обмотки и выходу трансформатора из строя

2 Неудапенное короткое замыкание или прорыв молнии через тросовую защиту на расстояниях порядка 1 км от распределительного устройства высокого напряжения мощных станций приводят к возникновению переходного электромагнитного процесса с частотами, близкими к резонансным частотам обмоток силовых трансформаторов Это позволяет сделать вывод о том, что примыкающие к мощным распределительным устройствам участки линий следует надежно защищать от воздействия грозовых перенапряжений, например с помощью установки ограничителей перенапряжений на опорах соответствующего участка ВЛ

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Кадомская К П Влияние конструкции кабельных линий подводного исполнения на биосферу пересекаемых водоемов / Кандаков С А , Лавров Ю А // «Электричество» -2005, №12 -С 22-27

2 Кадомская К П Определение первичных продольных параметров воздушных и подземных линий электропередачи на основе расчета электромагнитного поля / Кандаков С А , Лавров Ю А // «Электричество» - 2006, №5 -С 17-24

3 Кадомская К П Методика расчета токов в экранах и теплового режима кабелей с пластмассовой изоляцией / Кандаков С А, Лавров Ю А // Научный вестник НГТУ -2007, №1(26) - С 109-122

4 Кандаков С А Влияние однофазных дуговых замыканий на землю в сетях генераторного напряжения мощных блоков на надежность эксплуатации изоляции обмотки высокого напряжения силовых блочных трансформаторов / Лаптев О И // Труды четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали Электрооборудование сетей 6-35 кВ» - Новосибирск, 2006г - С 51-55

5 Кандаков С.А Методика определения первичных погонных емкостей закрытых электропередач на основе расчета электростатического поля // Сборник научных трудов НГТУ - Новосибирск, 2004

6 Кандаков С А Определение погонных продольных параметров воздушных и подземных линий электропередач на основе расчета электромагнитного поля // Сборник научных трудов НГТУ - Новосибирск, 2005 - №2(40) - С 73-78

7 Кандаков С А Способ задания полного тока в проводниках при расчетах гармонических электромагнитных полей с помощью метода конечных элементов //Сборник научных трудов НГТУ - Новосибирск, 2006 -№2(44) - С 71-76

8 Кандаков С А Анализ теплового режима работы однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации » Новосибирск,

2005 -С 105-106

9 Кандаков С А Математическая модель силового трансформатора при исследовании резонансных перенапряжений // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации» Новосибирск,2006 -С 191-193

10 Кандаков CA Схема замещения силового трансформатора при анализе резонансных перенапряжений // Сборник научных трудов НГТУ - Новосибирск,

2006 -№3(45) - С 61-66

11 Кандаков CA Эксплуатационная надежность силовых кабелей // Материалы научной студенческой конференции «Дни науки НГТУ - 2006» -Новосибирск, 2006 - С 136-137

12 Kadomskaya К Р , Kandakov S А , Lavrov U A Electromagnetic compatibility of underwater cable lines of various design with ichthyofauna // Материалы докладов международной конференции под эгидой IEEE «2005 IEEE St Petersburg Power Tech»

13 Kadomskaya К P Influence of electric-power transfer channels on biosphere and environment / Kandakov S A , Lavrov U A // Материалы докладов международной конференции Power Industry and Market Economy Ulaanbaatar, Mongolia - 2005

14 Кадомская К П Электромагнитная безопасность подводных кабельных линий с ихтиофауной / Кандаков С А , Лавров Ю А // Сборник докладов восьмой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности ЭМС-2004 - Санкт-Петербург,

2004 - С 614-619

15 Кадомская КПК вопросу об организационно-технических требованиях по обеспечению электромагнитной совместимости подводных кабельных линий с ихтиофауной / Кандаков CA, Лавров ЮА // Материалы докладов десятой всероссийской научно-технической конференции «Энегетика экология, надежность, безопасность» - Томск, 2004 - С 410-412

16 Кадомская КП Электромагнитная совместимость каналов передачи силовой электроэнергии с окружающей средой и биосферой / Кандаков С А, Лавров Ю А, Шевченко С С // Материалы докладов VIII симпозиума по элеткротехнике Москва, 2005 -С 163-164

17 Кадомская КП Повышение экономичности и эксплуатационной надежности закрытых линий электропередач нового поколения / Кандаков С А, Лавров Ю А // Материалы докладов VIII симпозиума по элеткротехнике Москва,

2005 -С 201-203

18 Кадомская КП Кабели 6-10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена -требования к прокладке / Кандаков С А, Лавров Ю А // «Новости электротехники» С-Петербург, 2005 , №6(36) - С 81-83

19 Кадомская КП Вакуумные генераторные выключатели Моделирование процессов / Кандаков С А, Лавров Ю А // «Новости электротехники» С-Петербург, 2006, №5(41) -С 10-15

20 Кадомская К П Подводные кабельные линии Экологические аспекты проектирования / Кандаков С А , Лавров Ю А // «Новости электротехники» С-Петербург, 2006 , №4(40) - С 88-91

21 Кадомская КП Эксплуатационная надежность и электромагнитная совместимость с биосферой электрооборудования высокого напряжения нового поколения / Кандаков С А , Лавров Ю А , Лаптев О И // Сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» - Санкт-Петербург, Россия / Под ред А П Кудинова, Г Г Матвиенко СПб Изд-во Политехи ун-та, 2007 282с С 194-196

22 Кадомская К П Повышение достоверности математического моделирования электрооборудования и процессов при исследовании перенапряжений в электрических сетях 6-35 кВ / Кандаков С А , Лавров Ю А // Сборник докладов третьей Всероссийской научно-технической конференции «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ» -Новосибирск, 2004г-С 104-110

23 Кадомская К П Электромагнитная совместимость воздушных, подземных и подводных линий электропередачи высокого напряжения с биосферой и окружающей средой монография / С А Кандаков, Ю А Лавров, С С Шевченко - Новосибирск Изд-во НГТУ, 2007 - 119 с

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20,

тел /факс (383) 346-08-57 формат 60x84/16, объем 1,75 п л , тираж 100 экз , заказ № 850 подписано в печатть21 05 07г

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ПОГОННЫХ

ПАРАМЕТРОВ МНОГОПРОВОДНЫХ КАНАЛОВ

ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

1.1 Определение поперечных погонных параметров.

1.2. Определение продольных погонных параметров.

1.3. Электромагнитное поле двухпроводной линии.

1.4. Комплексные сопротивления газоизолированных линий трёхфазного исполнения.

1.5. Комплексные продольные сопротивления кабелей со сплошными секторными жилами.

1.6. Выводы по первому разделу.

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ

ЛИНИЙ ПОДВОДНОГО ИСПОЛНЕНИЯ С БИОСФЕРОЙ

2.1. Постановка исследований.

2.2. Критерии воздействия электромагнитных полей на ихтиофауну.

2.3. Конструкции КЛ подводного исполнения и способы их подводной прокладки.

2.4. Анализ электромагнитной совместимости КЛ различных конструкций с ихтиофауной пересекаемых водоемов.

2.4.1. Постановка исследований.

2.4.2. Аналитическая методика определения токов в экранах кабелей

2.4.3. Численная методика определения токов в экранах кабелей различного конструктивного исполнения.

2.4.4. Сравнение аналитического и численного расчёта плотности продольного тока в водоёме.

2.4.5. ЭМС подводных кабелей трехфазного исполнения с ихтиофауной.

2.5. Выводы по второму разделу.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ОДНОФАЗНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

3.1. Постановка исследований.

3.2. Анализ тепловыделения в защитной стальной трубе при существующих условиях прокладки.

3.3. Расчет температуры кабеля.

3.4. Методы снижение температуры кабелей при их прокладке в защитных стальных трубах.

3.5. Выводы по третьему разделу.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ОБМОТКАХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

4.1. Постановка исследований.

4.2. Методика определения параметров многоэлементных схем замещения обмоток силовых трансформаторов.

4.2.1. Обоснование принимаемых допущений и методики расчета

4.2.2. Методика расчета емкостных элементов схемы замещения

4.2.3. Методика расчета индуктивных элементов схемы замещения

4.2.4. Методика расчета сопротивлений катушек.

4.2.5. Параметры многоэлементной схемы замещения трансформатора ОДЦ-417000/

4.3. Исследование частотного спектра обмоток силового трансформатора ОДЦ-417000/

4.4. Выводы по четвертому разделу.

В настоящее время в электроэнергетику внедряется оборудование нового поколения, обладающее рядом свойств и особенностей, которые необходимо учитывать при его производстве, проектировании, монтаже и эксплуатации. К этому оборудованию следует отнести находящие широкое применение вакуумные выключатели, имеющие «жесткие» дугогасительные свойства и обуславливающие протекание высокочастотных электромагнитных переходных процессов при их коммутациях; газоизолированные линии, применяемые для выдачи мощности крупными электростанциями и для ее ввода в густонаселенные города; кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена, обладающие рядом особенностей при их монтаже и эксплуатации, некоторые из которых будут рассмотрены в настоящей работе. Внедрению этого электрооборудования должны предшествовать исследования по обеспечению его эксплуатационной надежности и электромагнитной совместимости, в том числе и с биосферой. Очевидно, что подобные исследования должны проводится на корректных математических моделях, позволяющих получать результаты с погрешностью в пределах инженерной точности. Вместе с тем, имевшиеся до настоящего времени в руках исследователей методы математического моделирования не позволяли получать этой точности, вынуждая исследователей выдвигать при разработках ряд гипотез и допущений, зачастую недостаточно доказанных и обоснованных.

При вводе в эксплуатацию, а также уже в процессе эксплуатации некоторых электроэнергетических объектов нередко возникают технологические нарушения, связанные также с недостаточной проработкой пусковых и штатных коммутационных режимов, зачастую обусловленной применением при этом достаточно «грубых» математических моделей. Так, например, из-за упрощенного моделирования силовых трансформаторов блоков электрических станций нередко возникали резонансные процессы в его обмотках, приводившие к выходу фазы трансформатора из строя.

В последние десятилетия XX века происходило бурное развитие электронно-вычислительной техники. Это повлекло за собой появление новых методов исследования различного рода физических явлений, в основном связанных с численным решением фундаментальных уравнений, лежащих в основе этих явлений. К таким методам можно отнести и векторный метод конечных элементов (ВМКЭ). После появления мощных ЭВМ и развития ВМКЭ появилась возможность проверки и уточнения ряда математических моделей как самого электрооборудования, так и осуществления разного рода коммутаций. Вопросам уточненного моделирования электрооборудования и стационарных и переходных электромагнитных процессов, позволяющего в конечном итоге повысить надежность эксплуатации электроэнергетических объектов и посвящена большая часть настоящей работы.

Неотъемлемой частью проектирования и строительства современных объектов электроэнергетики должен быть анализ электромагнитной совместимости этих объектов с биосферой. В последнее время, в связи со всё более значительным «наступлением» человека на природу, этот вопрос является особенно актуальным. По этой причине часть настоящей работы посвящена одному из актуальных вопросов современной энергетики -обеспечению электромагнитной совместимости кабельных линий подводного исполнения с биосферой (ихтиофауной) пересекаемого водоёма. Целью настоящей работы явилось:

1. Разработка методики численного расчета с помощью метода конечных элементов параметров многопроводных линий электропередач.

2. Исследование электромагнитной совместимости подводных кабельных линий трехфазного конструктивного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема.

3. Исследование теплового режима эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения при их прокладке в защитных стальных трубах.

4. Разработка высокочастотной схемы замещения силового трансформатора, позволяющей анализировать резонансные перенапряжения в его обмотках.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана методика численного расчета первичных погонных параметров многопроводных линий электропередач, которая используется при решении задач, поставленных во всех остальных разделах работы. Проведено сравнение результатов расчета параметров линий электропередач, полученных с помощью разработанной методики и с помощью ранее применявшихся методик.

2. Проведен анализ электромагнитной совместимости кабельных линий подводного исполнения различных конструкций с ихтиофауной пересекаемого водоема.

3. Исследован тепловой режим эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения (КЛ ОИ) с изоляцией из сшитого полиэтилена и разработаны способы обеспечения допустимого для них теплового режима при прокладке в защитных стальных трубах.

4. Разработана многоэлементная схема замещения силового трансформатора, позволяющая достоверно решить задачу о возможности возникновения резонансных перенапряжений в обмотках силового трансформатора при разного рода возмущениях, которые могут возникнуть как в пусковом режиме объекта, так и при его нормальной эксплуатации.

Научная новизна основных положений и результатов работы может быть сформулирована следующим образом:

1. Разработана методика расчета погонных параметров многопроводных линий, основанная на численном анализе электромагнитного поля.

2. Показано, что применение подводных кабельных линий трехфазного конструктивного исполнения с пофазно экранированными жилами обеспечивает приемлемую электромагнитную совместимость с ихтиофауной пересекаемого водоема.

3. Показано, что при объединении по концам защитных стальных труб трех фаз КЛ тепловыделение в них снижается практически в два раза.

4. Разработана многоэлементная схема замещения силового трансформатора, основанная на численных расчетах электромагнитных полей в его конструкции при учете схем соединения обмоток ВН и НН, конструкции магнитопровода и бака, а также доказана возможность возникновения в обмотках силовых трансформаторов резонансных перенапряжений высоких кратностей при реальных возмущениях со стороны высокого и низкого напряжений.

Практическая значимость результатов работы.

1. Разработанные методики расчета погонных параметров многопроводных линий могут быть использованы при анализе электромагнитных переходных процессов в электроэнергетической системе при любых типах каналов передачи электрической энергии.

2. Сформулированы основные требования к конструкции и способам прокладки КЛ подводного исполнения с точки зрения ЭМС с ихтиофауной пересекаемого водоема. При этом показано, что использование КЛ трехфазного исполнения с пофазно экранированными жилами позволяет исключить опасное влияние ЛЭП на ихтиофауну пересекаемого водоема.

3. Разработанную методику расчета тепловыделения в защитных стальных трубах КЛ ОИ целесообразно использовать при их проектировании и монтаже с целью исключения перегрева кабелей в таких конструкциях и сопутствующих аварий.

4. Разработанная методика синтеза многоэлементной схемы замещения силового трансформатора может быть использована при анализе высокочастотных резонансных перенапряжений в его обмотках при любых причинах их возбуждения, а также может быть использована и при оценке требуемой электрической прочности изоляционных элементов трансформатора.

5. Показано, что эксплуатация мощных силовых блочных трансформаторов с отключенным генератором в пусковых режимах блоков или при включении блока в первую очередь со стороны высокого напряжения приводит возникновению опасных резонансных перенапряжений в обмотках трансформатора при ОДЗ на стороне низшего напряжения трансформатора.

6. Проанализирована возможность повреждения изоляции силового трансформатора при грозовых поражениях молнией участков ВЛ, непосредственно примыкающих к РУ ВН блока, что обуславливает необходимость повышения грозоупорности воздушных подходов к ОРУ ВН.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная методика расчета погонных параметров многопроводных ЛЭП, основанная на численном анализе электромагнитных полей с помощью ВМКЭ.

2. Прокладка подводных кабельных линий трехфазного исполнения безопасна для ихтиофауны пересекаемого водоема.

3. Прокладка КЛ ОИ в защитных стальных трубах пофазно приводит к значительному перегреву кабелей, вызванному тепловыделением в защитных трубах. Снизить тепловыделение практически в два раза возможно при помощи объединения защитных стальных труб по концам.

4. Разработанная методика численного расчета многоэлементной схемы замещения силового трансформатора, позволяющая детально учитывать конструкцию его магнитопровода, обмоток и бака.

5. Предложенные рекомендации по уменьшению вероятности возникновения резонансных перенапряжений в обмотках мощных силовых трансформаторов, заключающиеся:

• в недопустимости эксплуатации силовых трансформаторов мощных станций в холостом режиме работы (при отключенном станционном генераторе),

• усилении грозозащиты подхода к РУ ВН блока, например, путем установки на ограниченном участке ВЛ защитных аппаратов типа ОПН на опорах ВЛ.

Апробация результатов работы.

Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждалась на семинарах каф. ТиЭВН и факультета энергетики НГТУ, а также на Всероссийских и Международных конференциях в Новосибирске, Томске, Москве, Санкт Петербурге и Монголии. По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы 23 работы, в том числе две статьи в журнале «Электричество», 3 статьи в журнале «Новости электротехники», 4 статьи в сборнике научных трудов НГТУ, монография и др. Результаты работы использованы при выполнении, в том числе, НИР по договору с Иркутским лимнологическим институтом (проведен анализ электромагнитной обстановки в озере Байкал при прокладке КЛ 35 кВ на остров Ольхон) и с ОАО «Запорожтрансформатор» (исследованы причины технологического нарушения трансформатора 500 кВ в пусковом режиме блока 1000 МВт Тяньваньской АЭС (Китай)). Два акта внедрения результатов диссертационной работы включены в её текст в виде соответствующих приложений.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений, изложенных на 188 страницах текста, списка использованных источников из 58 наименований. Работа проиллюстрирована 19 таблицами и 87 рисунками.

Основные выводы, касающиеся существа рассмотренных вопросов, можно сформулировать следующим образом:

Электромагнитная совместимость кабельных линий подводного исполнения с ихтиофауной пересекаемого водоема.

1. Свободная прокладка подводных КЛ однофазного исполнения требует принятия специальных мер по уменьшению интенсивности ЭМП вдоль трассы их прокладки и обеспечения экологической безопасности для рыб, обитающих в пересекаемом КЛ водоеме.

2. При прокладке КЛ однофазного конструктивного исполнения приемлемая для ихтиофауны электромагнитная обстановка обеспечивается лишь при траншейной прокладке фаз в вершинах правильного треугольника. 3. Прокладка КЛ трехфазного исполнения (КЛ ТИ) с экранированными жилами не оказывает отрицательного влияния на ихтиофауну, что обусловлено конструкцией кабеля, обеспечивающей практическое отсутствие в нормальном эксплуатационном режиме ЭМП за пределами кабеля. При подводной прокладке КЛ ТИ не требуется проведения каких-либо организационно-технических мероприятий по предотвращению негативных последствий от воздействия ЭМП для тех представителей ихтиофауны, которые обитают, мигрируют или нерестятся в пересекаемом КЛ водоеме. Необходимо лишь ограничиться экологическим мониторингом на стадии прокладки кабельной линии.

Анализ тепловых режимов эксплуатации кабельных линий однофазного исполнения.

1. Прокладка силовых кабелей в защитных стальных трубах может приводить к появлению в последних существенного тепловыделения, вызванного протеканием вихревых токов по толщине трубы. Направление вихревых токов совпадает с ориентацией оси кабеля, то есть является продольным. Тепловыделение в защитных стальных трубах при прокладке в них КЛ ОИ значительно превышает «технологическое» тепловыделение в металлических элементах конструкций кабелей с большими номинальными токами (более 250300 А).

2. Тепловыделение в защитных стальных трубах существенно зависит от диаметра и толщины трубы. Полученные зависимости тепловыделения в трубах и температуры жилы кабелей от тока в последних при различных размерах труб могут быть использованы проектирующими и эксплуатирующими КЛ организациями. Установлено, что для уменьшения температуры КЛ ОИ необходимо их прокладывать в трубах как можно большего диаметра.

3. Предложен способ практически двукратного уменьшения тепловыделения в стальных трубах трех фаз кабелей при их пофазной прокладке путем металлического соединения труб по концам.

4. Во всех случаях прокладки КЛ (пофазная прокладка, прокладка трех кабелей в общей стальной трубе) независимо от номинального тока кабеля при проектировании КЛ необходимо проведение соответствующих расчетов с целью обеспечения тепловой стойкости принимаемого конструктивного решения. Резонансные перенапряжения в обмотках мощных силовых трансформаторов.

1. На примере анализа условий эксплуатации силовых трансформаторов ОДЦ-417000/500 Тяньваньской АЭС показано, что эксплуатация мощных силовых трансформаторов в режиме холостого хода (с отключенным генератором) может приводить к возникновению опасных перенапряжений в трансформаторе. В этом случае частота переходных электромагнитных процессов при однофазном дуговом замыкании на землю в сети генераторного напряжения близка к резонансным частотам обмоток трансформатора, что может привести к нарушению междукатушечной изоляции обмотки и выходом трансформатора из строя.

2. Неудаленное короткое замыкание или прорыв молнии через тросовую защиту на расстояниях порядка 1 км от распределительного устройства высокого напряжения мощных станций приводят к возникновению переходного электромагнитного процесса с частотами, близкими к резонансным частотам обмоток силовых трансформаторов. Это позволяет сделать вывод, что примыкающие к мощным распределительным устройствам участки линий следует надежно защищать от воздействия грозовых перенапряжений, например установкой ограничителей перенапряжений на опорах ВЛ соответствующего участка.

176

1. Бессонов Л.А. Теоретические ноле: учебник основы для электротехники. энерг., Электромагнитное электротехн., нриборостроит. спец. Вузов. 8-е изд., нерераб. и дон. М.: Высш. Шк., 1986.-263 с ил.

2. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и дон. М.: Энергоатомиздат, 1996.-464 с ил.

3. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. И.А. Баумштейна и М.В. Хомякова. М., «Энергия», 1974 г.

4. Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхердт А.А. Перенанряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них: Учебник Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 368с. (Серия «Учебники НГТУ»). 5. J.A. Tegopoulos, Е.Е. Kriezis. Eddy current distribution in cylindrical shells of infinite length. Due to axial currents. Part I, II IEEE Trans. PAS. 1970.

5. Фрадкин Б.М. Расчёт продольных комнлексных сонротивлений многонроводного экранированного кабеля с внешними проводниками Электричество 1992. Ш6. 39-49. 7. D.Labridis, P.Dokopoulos. Finite Element Computation of Eddy Current Losses in Nonlinear Ferromagnetic Sheaths of Three-Phase Power Cables, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.7, No. 3, July 1992.

6. Кадомская К.П. Электромагнитные процессы в кабельных линиях высокого напряжения: Монофафия. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. -142 с.

7. Shelkunoff S.A. The electromagnetic theory of coaxial transmission lines and cylindrical shields. The Bell System Technical Journal, 1934, vol.13, p.532.

8. Фейнман Ричард Ф., Лейтон Роберт Б., Сэндс Мэтью. Фейнмановские лекции по физике. Вып.1: Современная наука о природе, Вып.5: Электричество и магнетизм. Вып. 6: Электродинамика. Пер. с англ. под ред. Я.А. Смородинского. Изд. 4-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004.

9. Dugan R.G., Brown G.W., Rocomora R.G. Surge propagation in threephase pipe-type cables. Part 2. duplication of field tests including the effect of neutral wires and pipe saturation IEEE Trans. PAS. 1993. Vol. JVb3.

10. Pollaczek F. Sur le champ produit par un conducteur simple infiniment long parcouru par un courant alternative. Revue Generate de lElectricite, 1931, 29,p.851.

11. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 635 кВ: каталог кабельной продукции фирмы NEXANS.

12. Протасов В.Р., Бондарчук А.И., Ольшанскнй В.М. Введение

13. Извеков Б.И. Методологические аспекты оценки чувствительности рыб к электрическим полям/ Доклад на научн.-техн. конф. "Поведение и распределение рыб".- Борок.-1996.- 41-57.

14. Войтовнч Р.А., Кадомская К.П. Влияние конструктивных параметров подводных кабельных линий высокого напряжения на электромагнитное поле в водной среде.- Электричество, 1997.-JSr24.-C. 15-20

15. Кадомская К.П., Меньшикова Е.С. Электромагнитная совместимость с окружающей средой кабельных линий среднего и высокого напряжения 56-62. с пластмассовой изоляцией.-Электричество.-2003.->Го4.-

16. Кадомская К.П., Кандаков А., Лавров Ю.А. Влияние конструкции кабельных линий подводного исполнения на биосферу пересекаемых водоемов.- Электричество.- 2005.- №12.- 23-27.

17. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. Учебник для вузов, Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975 22. D.Labridis, P.Dokopoulos Calculation of Eddy Current Losses in Nonlinear Ferromagnetic Materials IEEE Transactions on Magnetic, vol. MAG-25, pp.2665-2669. May 1989.

18. Инкин А.И., Рейхердт A.A. Математическая модель для расчёта электромагнитных процессов в трёхфазных кабелях с проводящей оболочкой. .-Электричество.-1999.-№5.-С.28-34.

19. Niksa Kovac, Ivan Sarajcev, Dragan Poljak. Nonlinear-coupled electricthermal modeling of underground cable systems IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.21, No. 1, January 2006.

20. Jinbo Kuang, Steven A.Boggs. Pipe-type cable losses for balanced and unbalanced current IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.17, No. 2, April 2002.

21. Felipe Alejandro, Jose Luis Naredo, Pablo Moreno, Leonardo Guardado. Algorithmic evaluation of underground cable earth impedances IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.19, No. 1, January 2004.

22. Dimitrios A, Grigoris К Papagiannis, Dimitris P. Labridis, Petros S. Docopoulos. Earh return path impedances of underground cables for the twolayer earth case IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.20, No. 3, July 2005.

23. Richard A. Rivas, Jose R. Marti. Calculation of parameters of power cables: matrix partitioning frequency-dependent techniques IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.17, No. 4, October 2002.

24. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 Simulink 4/

25. Основы применения. М.: СОЛОН-ПрессЮ 2004. 768 с.

26. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977г.

27. Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. 4-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 688 с.

28. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). Издание 7-е.

29. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин. Учебное пособие. Новосибирск: 0 0 0 «Издательство ЮКЭА», 2002. 464с. 34. Л.Р. Нейман и П.Л. Калантаров. Теоретические основы электротехники: Теория электромагнитного поля. 5-е изд., перераб. Москва Ленинград, 1959г. 35. J.P. Bickford, N. Mullineux, J.R. Reed. Computation of Power System transients. Peter Peregrinus Ltd. England, 1976.

30. Гува А.Я. Краткий теплофизический справочник. Новосибирск: «Сибвузиздат», 2002. 300с.

31. Дьяков А.Ф. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. Энергоатомиздат.-2003.-768 с.

32. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левннштейн М.Л., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука, 1988. 302 с.

33. Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения.М.: Энергия, 1973.- 270 с.

34. Костенко М.В. Построение приближенных формул для решения электротехнических задач по способу "предельных точек"// Электричество.-1982.- №9.- 72-77

35. Кадомская К.П., Овсянников А.Г., Шевченко С. Экспериментальное исследование характеристик магнитного поля в водной среде.- Электричество.- 2004.- JSro9.C. 19-24. 43. В. Gustavsen, J.A. Martinez, D. Durbak. Parameter determination for modeling system transients Part II: Insulated Cables IEEE Transactions on Power Delivery, VoL20, No. 3, July 2005.

36. Naoki Amekava, Naoto Nagaoka. Impedance derivation and wave propagation characteristics of pipe-enclosed and tunnel-installed cables IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.19, No. 1, January 2004.

37. Niksa Kovac, Ivan Sarajcev, Dragan Poljak. Nonlinear-coupled electricthermal modelling of underground cable systems IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.21, No. 1, January 2006.

38. Основы кабельной техники: учебник для студ. высш. учеб. заведений под ред. И.Б. Пешкова. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 432с.

39. Холодный Д., Леонов В.М., Водолазов П.В. Расчет и измерение потерь энергии в стальном трубопроводе кабелей Электротехника, №10-11, Октябрь-Ноябрь 1992, с. 60-63.

40. Холодный Д., Леонов В.М., Водолазов П.В. Расчет и измерение потерь энергии в оболочках и броне из стальных проволок одножильных силовых кабелей Электротехника, 1991, №3.

41. Электрические кабели. Расчет номинальной токовой нагрузки.

42. Нейман Л.Р. Теоретическая электротехника: избранные труды Л.Р. Нейман; отв. ред. К.С. Демирчян. Л.: Наука, 1988г. 331с.

43. Shei F., Alstail К., Sund (Норвегия). Резонансные J.B., Rian M.,Nordrik E., Hopperstad J. перенапряжения в трансформаторах переходными электростанций, вызванные коммутационными процессами в присоединенной кабельной сети. Доклад 12-07 на сессии СИГРЭ44. Сокр. Перевод с англ. Г.Я. Шнейнера.В кн. Трансформаторы. Перенапряжения и координация изоляции. Энергетика за Рубежом. Переводы докладов международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-84).-С. 83-98. 53. A.S. Morched, L. Marti, R.H. Brierley, J.G. Lackey. Analysis of Internal Winding Stresses in EbfV Generator Step-up Transformer Failures. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.11, No. 2, April 1996., pp.888-894.

45. Конторович Л. Н. Автореферат диссертации на соискание на соискание учёной степени кандидата технических наук «Разработка математических моделей, методов расчёта импульсных процессов и параметров обмоток высоковольтных трансформаторов»,- Повочеркасск.-1979 г.

46. Бунин А.Г., Конторович Л.Н. Расчет импульсных перенапряжений в обмотках трансформаторов с учетом влияния магнитопровода. «Электричество», 1975 г., JNr27.

47. Сапожников А.В. Конструирование трансформаторов. Москва Ленинград: гос. энергетическое издательство, 1959г., 360с.

48. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. Пособие для вузов. 11-е изд., испр. И доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 616с.