автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы систем электроснабжения на основе совершенствования моделей силовых трансформаторов и кабелей

На правах рукописи

ЛЫКОВ Алексей Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И КАБЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 — "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2004

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом

университете

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- кандидат технических наук, профессор Куроедов Валентин Иванович

- доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Александрович кандидат технических наук, доцент Шевченко Жанна Ивановна

- ОАО "Армавирский электротехнический завод"

Защита диссертации состоится 16 декабря 2004 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в Кубанском государственном технологическом университете (350000, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4 ауд № 410).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан 15 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.100.06,

кандидат технических наук, доцент

Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы заключается в возрастающих требованиях к точности и быстродействию методов математического моделирования нестационарных тепловых процессов в элементах систем электроснабжения и определению их нагрузочной способности. Особенно остро этот вопрос стоит при определении нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Ц) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6-20 кВ.

Значения допустимых перегрузок и их продолжительность, а, следовательно, мощность трансформаторов и сечения кабелей рассчитываются с учетом допустимого нагрева активных частей, определяемого классом на-гревостойкости применяемой изоляции. До настоящего времени не разработано устройства, обладающего достаточной точностью и надежностью, которое могло было бы получить широкое распространение для непосредственного определения температур токоведущих частей высоковольтных трансформаторов и кабелей. Поэтому, нагрузки на силовые трансформаторы и кабели ограничивают значениями допустимых перегрузок, полученных на основе математического моделирования тепловых процессов. Отсюда следует, что от точности моделирования нестационарных тепловых процессов и на их основе определения допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелей зависит не только эффективность их работы, но и надежность всей системы электроснабжения.

Существующее программное обеспечение для расчета нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Ц) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6-20 кВ создано на основе алгоритмов, разработанных по упрощенным тепловым моделям. Методы расчета нагрузочной способности трансформаторов мощностью выше 100000 кВА и высоковольтных линии напряжением выше 35 кВ в большинстве случаев не могут применяться для трансформаторов и кабельных линий 6-20 кВ без соответствующих корректировок.

Методы расчета нагрузочной способности высоковольтных кабельных линий для получения численной устойчивости в большинстве случаев требуют задания неоправданно малых интервалов времени пересчета тепловой модели (2 - 30 секунд при постоянной времени нагрева силового кабеля от получаса до трех часов), что значительно увеличивает продолжи-

рис НЛциоп 4.1Ы4ЛЯ ] БИБЛИОТЕКА I

тельность вычислений Циклический расчет тепловых режимов определение перегрузочной способности, даже на современных персональных компьютерах приводит к неприемлемым затратам времени (от получаса до двух часов).

С развитием вычислительной техники появляется задача совершенствования существующих тепловых моделей с учетом достигнутых на данное время уточнений физических процессов, происходящих в элементах систем электроснабжения. Для усовершенствованных тепловых моделей требуется1 разработка новых алгоритмов расчета нестационарных тепловых режимов работы элементов систем электроснабжения и их допустимой нагрузочной способности. Разработанные алгоритмы должны позволять производить расчеты с большей точностью и быстродействием.

Дальнейшее увеличение точности математических моделей (расчет тепловых полей) заставляет использовать все большее число конструктивных данных элементов систем электроснабжения, что заставляет инженеров обращаться за информацией к заводам изготовителям, а это не всегда возможно, особенно для снятых с производства, но находящихся в эксплуатации трансформаторов На данном этапе появляется новая задача, связанная с разработкой рациональных математических моделей систем электроснабжения. Цель рационализации заключается, в повышении точности моделирования тепловых процессов элементов электроснабжения при использовании доступных исходных данных.

Реализация полученных алгоритмов в виде прикладных программ позволит более широко применять их для расчета нагрузочной способности элементов систем электроснабжения в условиях их эксплуатации

Целью работы является совершенствование тепловых математических моделей силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д и силовых кабелей напряжением 6-20 кВ и на их основе повышение точности расчетов нагрузочной способности.

Дня достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- коррекция математической модели силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д, предложенной в ГОСТ 14209-97;

— коррекция существующей математической модели силовых кабелей 6-20 кВ;

- разработка на их основе алгоритмов расчета допустимых нагрузочных способностей;

— реализация полученных алгоритмов в виде пакета прикладных программ и баз данных;

— проведение комплексных исследований, связанных с зависимостью ограничивающих параметров допустимой перегрузки трансформатора (максимально допустимой температурой изоляции обмоток, максимально допустимой температурой масла в верхних слоях, относительным износом изоляции) от параметров зависящих от конструкции трансформатора, продолжительности перегрузки и температуры охлаждающей среды;

— для силовых кабелей также провести исследования зависимости допустимых перегрузок от термических параметров грунта и вида прокладки;

— анализ влияния введенных уточнений на расчетную величину допустимых перегрузок силовых трансформаторов и кабелей;

— корректировки косвенных методов регулирования допустимых перегрузок трансформаторов, связанных с изменением требований к допустимым тепловым режимам работы силовых трансформаторов в ГОСТ-14209-97.

Методы исследования. Исследования в диссертационной работе осуществлялись на основе математического моделирования тепловых нестационарных процессов в элементах электроснабжения. Моделирование производилось на базе итерационных методов расчета. Допустимые нагрузочные способности элементов электроснабжения определялись при помощи численного метода "метод секущих". Определение оптимальных значений параметров зависящих от конструкции трансформатора производилось при помоши метода прямого поиска оптимума — "Розенброка и Пауэла". Определение значений термических параметров грунта производилось методом "сплайн интерполяции".

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждается сходимостью результатов полученных в результате теоретических исследований с экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях на реальном оборудовании ОАО "Кубаньэнерго".

Научная новизна заключается в следующем:

— в корректировке математической модели, предложенной в ГОСТ 14209-97, и разработке алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д;

— в корректировке математической модели и разработке алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях с бумажной изоляцией 6-20 кВ;

— в проведении комплексного аналитического исследования влияния ограничивающих параметров, согласно требований ГОСТ 14209-97, на

допустимые систематические и аварийные перегрузки силовых трансформаторов;

- в проведении аналитического исследования влияния параметров тепловой модели, зависящих от конструктивных данных трансформатора, на допустимые перегрузки трансформаторов;

- в проведение аналитического исследования влияния введенных уточнений в тепловую модель силового трансформатора на тепловой режим работы и на величину его допустимых перегрузок;

- в разработке косвенного метода контроля допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторов; определены режимы работы, при которых погрешность данного метода будет минимальна;

- - в разработке метода оптимизации нагрузочной способности трансформаторов, для заданных условий его работы, по величине номинального перегрева масла над окружающей средой;

- в проведении аналитического исследования влияния уточнений, введенных в тепловую модель силового кабеля 10 кВ, на допустимые перегрузки;

- в проведении аналитического исследования термических параметров грунта на допустимые нагрузки при уменьшении влажности прилежащих слоев грунта в течение продолжительных перегрузок;

- в разработке алгоритма расчета термического сопротивления грунта и его теплоемкости с учетом зависимости удельных термических характеристик прилегающих слоев грунта от температуры.

Практическая ценность и значение работы—заключается:

- разработке алгоритма моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях, который рекомендовано применять для решения следующих задач: текущего контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелей; расчета допусгимых систематических и аварийных перегрузок; определения нагрузочной способности, вызванной изменением условий эксплуатации или конструктивных параметров элементов системы электроснабжения; модернизации систем электроснабжения предприятий;

- создании пакета прикладных программ, предназначенного для расчета допустимых нагрузок при ремонтных и аварийных режимах работы систем электроснабжения;

- использовании теоретических и методических положений диссертационной работы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам

"Внутризаводское электроснабжение ", "Электроборудование", в дипломном и курсовом проектировании.

Внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях реализованы в виде самостоятельных прикладных программ и внедрены в Армавирских электросетях ОАО "Кубаньэнерго", в МП "Армавиргорэлектросе-ти" (применяются для расчета допустимых нагрузок при ремонтных и аварийных режимах работы систем электроснабжения), в ОАО "Армавирский электротехнический завод" (при модернизации системы электроснабжения).

Апробация работы

Основные результат докладывались на второй всероссийской научно-практической конференции "Системы управления электротехническими объектами" посвященной 70-летию кафедры электротехники и электрооборудования Тульского государственного университета, Тула, 2002г.; первой межвузовской научно-практической интернет конференции "Энер-го-и ресурсосбережение XXI века", Орел, 2002г.; Межвузовской научно-практической конференции, Армавир 2003г.; второй межвузовской научной конференции, Краснодар 2003 г.; на научно-практических семинарах "Разработка алгоритмов программ и моделей электрооборудования, процессов и систем управления предприятий" кафедры ВЭА АМТИ 2001, 2002, 2003, 2004 гг.; Международной научно-практической интернет конференции "Алгоритмы и программы процессов и систем управления электрооборудованием и электрохозяйством", Армавир 2004 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованных источников и приложений. Общий объем диссертации 142с, 94 рисунка и 1 таблицы и 2 приложений.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи диссертации, показана новизна работы и ее прак-гическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту, охарактеризована структура диссертации.

В первой главе рассматривается состояние вопроса совершенствования математических моделей элементов системы электроснабжения. Рассматривается история развития и актуальность вопросов, связанных с математическим моделированием нестационарных тепловых процессов в элементах систем электроснабжения. Проанализированы основные недостатки математических моделей элементов систем электроснабжения и рас-

четов, связанных с расчетом нагрузочной способности элементов системы электроснабжения. Рассмотрены основные направления по повышению точности расчетов. Определены основные направления по корректировке математических моделей и разработке на их основе алгоритмов расчета допустимых величин нагрузок системы электроснабжения.

Во второй главе описывается классическая тепловая модель силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д. Под классической тепловой моделью понимается система уравнений, приведенная в ГОСТ - 14209-97 "Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов", описывающих тепловые процессы в силовом трансформаторе.

Наибольшее распространение в распределительных электросетях промышленных предприятий получили трансформаторы с системами охлаждения с естественной циркуляцией масла и воздуха, а также естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха. Вступившее в силу в 2002 г. новое издание ГОСТ 14209-97 дает лишь общие рекомендации по уточнению тепловой модели трансформаторов с этими системами охлаждения.

Предложенная в ГОСТ 14209-97 тепловая модель трансформаторов систем охлаждения М и Д не учитывает следующие физические процессы, происходящие в трансформаторе при нестационарных тепловых процессах:

- изменение температуры элементов трансформатора при неустановившихся тепловых процессах происходит по неэкспоненциальным зависимостям;

- температура обмотки обладает своей тепловой инерционностью и изменяется по неэкспоненциальной зависимости;

- потери в обмотках зависят от их электрического сопротивления и изменяются в зависимости от температуры обмоток;

- воздействие температуры охлаждающей среды на температурный режим работы силового трансформатора происходит с учетом его постоянной времени нагрева;

- системы охлаждения трансформаторов работают в автоматическом режиме и включаются при достижении заданных параметров температуры масла и нагрузки.

- метод расчета температурного режима работы силового трансформатора предлагает замену реального графика нагрузки на эквивалентный двухступенчатый прямоугольный график нагрузки.

В настоящее время разработаны следующие уточнения тепловой модели силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д:

- рекомендуется определять такие значения постоянной времени нагрева трансформаторов - т, ч, которые позволяют получить экспоненциальную кривую, у которой начальный наклон и конечное превышение температуры будут соответствовать реальной неэкспоненциальной кривой, а промежуточные значения превышения температуры при переходном процессе будут незначительно отличаться от действительных;

- рекомендуется использовать постоянную времени нагрева обмотки - т0Б, ч, при кратковременных бросках нагрузки для расчета температуры обмотки и корректировать ее величину в зависимости от нагрузки, для получения действительной кривой изменения температуры;

- применять в итерационных методах расчета температурного режима работы трансформатора коэффициент изменения омических сопротивлений обмоток для расчетной и номинальной температуры -

- использовать температуру охлаждающей среды при расчете температурного режима работы с учетом постоянной времени нагрева транс -форматора -

- производить расчет нагрузки для каждого нагрузочного режима работы трансформатора;

- производить учет автоматики включения обдува радиаторов в расчетах нестационарного теплового режима работы трансформаторов систем охлаждения Д.

В результате корректировки математической модели предложенной в ГОСТ 14209-97, получена следующая тепловая модель силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д.

В начале расчета температурного режима работы трансформатора задается длительность времени Тп, ч, (сутки, смена) в течение которой производится расчет. Затем задается количество интервалов времени - N, через которые будет производиться пересчет теплового режима трансформатора, и их длительность -

где i - номер текущего интервала времени, Í-1 - номер предыдущего интервала времени.

Для любого 1-го интервала времени температуру масла в верхних слоях можно определить по формуле

®ивс, ~&игс, +®íf > (2)

где ©si- температура в о з д у £©,, с учетом тепловой инерционности трансформатора для i-ro интервала времени, определяется по формуле

Дня любого ¡-го интервала времени перегрев масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды 9м в с >, "С, определяется по формуле

"л/ас, м в с ноч

-1-е'

(4)

где К, - загрузка трансформатора во время текущего интервала времени (отношение текущей нагрузки трансформатора к номинальной);

К] - коэффициент начальной нагрузки трансформатора - отношение эквивалентной начальной нагрузки к номинальной;

- коэффиииент перегрузки - отношение эквивалентного максимума нагрузки к номинальной нагрузке трансформатора;

(1 — отношение потерь короткого замыкания (Ркз) к потерям холостого хода (Рхх) при номинальной нагрузке;

&мвсном - перегрев верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды при номинальной загрузке трансформатора,

Температура наиболее нагретой точки обмотки для 1-го интервала времени определяется по формуле

ННГ, - и ННГ + ^МВС, + 5 (5)

где - перегрев наиболее нагретой ючки обмотки над маслом в

верхних слоях масла, для интервала времени, определяется по формуле

где - постоянная времени нагрева обмотки трансформатора, ч;

Эомннтном - перегрев наиболее нагретой точки обмотки над температурой верхних слоев масла при номинальной загрузке трансформатора,

Относительный износ изоляции для каждого момента времени Ц, можно определить по следующей формуле

где - температура наиболее нагретой точки обмотки, при которой срок службы трансформатора равен номинальному.

В главе приводится анализ влияния введенных уточнений как на температурный режим работы трансформатора, так и на величину его нагрузочной способности. На основании скорректированной тепловой модели разработан алгоритм расчета нестационарных тепловых процессов в силовом трансформаторе При помощи математического моделирования тепловых процессов произведено исследование влияния ограничивающих параметров теплового режима работы трансформатора на допустимые нагрузки трансформатора.

Расчет допустимых перегрузок Кг и их продолжительности 1, ч является многокритериальной задачей, так как на нестационарный тепловой режим работы трансформатора накладывается несколько ограничений, связанных с коэффициентом допустимой перегрузки, при котором относительный износ изоляции будет равен номинальному - рассчитываются коэффициенты допустимой перегрузки при которых температура верхних слоев масла равняется максимально допустимой температуре для систематических и, соответственно, для аварийных перегрузок; рассчитываются коэффициенты допустимой перегрузки и при которых температура наиболее нагретой точки обмотки равняется максимально допустимой температуре для систематических и, соответственно, для аварийных перегрузок. Определение допустимых перегрузок производится численным методом — "метод секущей" из-за невозможности получения аналитического решения.

В главе проведен анализ влияния продолжительности перегрузки, температуры окружающего воздуха, конструктивных параметров силового трансформатора на его нагрузочную способность.

От конструктивного исполнения, вида охлаждения трансформатора зависит величина установившегося превышения температуры масла над температурой окружающей среды при номинальных условиях работы трансформатора Эмвсном* "С. Для одной и той же мощности трансформаторов в зависимости от конструктивного исполнения величина сном может иметь разные значения.

При анализе влияния параметров нестационарной тепловой модели силового трансформатора на его нагрузочную способность была получена зависимость между величиной номинального перегрева температуры масла в верхних слоях Змвсном, и оптимальной перегрузочной способностью.

График зависимости коэффициентов, ограничивающих допустимые перегрузки от величины представлен на рисунке 1. Анализ гра-

фика показывает, что при увеличении номинального перегрева температуры масла нагрузочная способность трансформатора возрастает и достигает своей максимальной величины при пересечении в одной точке всех трех ограничивающих параметров, график представлен на рисунке 2.

Эм в с ном

Рисунок 1 - График зависимости параметров, ограничивающих допустимую перегрузку, от изменения величины 9м в с ном Этот режим работы трансформатора характеризует одновременное максимальное использование всех ограничивающих параметров, связанных с максимальными температурами обмотки и масла, а также величиной относительного износа изоляции. При дальнейшем увеличении величины перегрева масла нагрузочная способность трансформатора уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении номинального превышения температуры масла над окружающей средой происходит уменьшение номинального превышения перегрева наиболее нагретой точки обмотки над температурой масча в верхних слоях

К2

ЕСЭ Допустимая перегрузка По шосу взотщав —4— Допустимая перегрузка по темперогуре обмотки — Допустимая перегрузка по температуре масла

Рисунок 2 — График зависимости параметров, ограничивающих допустимую перегрузку, для величины

Анализ проведенных исследований показывает, что для заданной величины эквивалентной температуры окружающей среды и графика нагруз-

ки можно подобрать по конструктивным параметрам такой силовой трансформатор, который будет обладать оптимальной нагрузочной способностью.

Поиск величины Эм в с ном> при которой нагрузочная способность будет оптимальна, производится при помощи алгоритмов прямого поиска оптимума Так как форма графика нелинейна, то наилучшим алгоритмом поиска максимума нагрузочной способности является метод "Розенброка и Пауэла", который относится к разновидности циклического покоординатного спуска.

Для определения оптимальной нагрузочной способности силового трансформатора, зависящей от величины выберем целевую

функцию, значение которой равно площади, ограниченной результирующей способностью трансформатора, т.е. интегралу от функции результирующей нагрузочной способности (смотри рисунок 1). Значение целевой функции, определяется по формуле

вс нач) = (8)

где - функция, определяющая "методом секущей" до-

пусгимые значения коэффициента перегрузки К2Д0Ш при которых тепло -вой режим работы трансформатора будет удовлетворять наложенным на него ограничениям, связанным с максимально допустимой температурой изоляции обмоток, максимально допустимой температурой масла в верхних слоях и относительным износ изоляции.

Применение интегральной целевой функции позволяет качественного оценить нагрузочную способность силового трансформатора для заданных параметров перегрузки. График целевой функции, рассчитанной по формуле 8, приведен на рисунке 3.

0 4СИ

Ол-1-1-1-1-1-1-1-1-1- .„ -I

55 5о 57 Ч 59 е.0 61 62 С "С 65

8м в с ном

Рисунок 3 — График зависимости целевой функции от номинальной величины перегрева верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды

Анализ графика показывает, что целевая функция имеет свой максимум при 9м в с ном = 61.5 "С. Это доказывает, что оптимальная нагрузочная способность у трансформатора наступает при такой величине номинального перегрева верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды, при котором происходит пересечение всех характеристик ограничивающих параметров в одной точке.

Моделирование тепловых процессов показало, то независимо от коэффициентов предварительной загрузки К] и продолжительности перегрузки 1, допустимую нагрузку ограничивает коэффициент, связанный с допустимой температурой обмотки. Поскольку прибор для непосредственного определение температур токоведущих частей высоковольтных трансформаторов еще находится в стадии разработки, возникает задача косвенного регулирования величины допустимой аварийной нагрузки.

В процессе исследований было установлено, что при увеличении продолжительности аварийной перегрузки и температуры окружающей среды значения коэффициентов, связанных с максимально допустимой температурой обмотки и масла, становятся практически равны между собой. Это позволяет сделать вывод о том, что возможно контролирование допустимой перегрузки, используя только показания термосигнализатора, установленного на трансформаторе.

Погрешность косвенного регулирования допустимой аварийной перегрузки можно уменьшить, если после предварительного моделирования теплового режима по заданным параметрам перегрузки изменить уставку срабатывания термосигнализатора. Например, с максимально допустимой температуры 95 °С (согласно указаниям ПТЭ, до вступления в силу ГОСТ-14209-97) на температуру 113 °С. График расчета допустимой перегрузки при максимально допустимой температуре верхних слоев равной 113 °С, то при продолжительности более 6 часов независимо от коэффициента предварительной загрузки термосигнализатор будет выдавать сигнал диспетче' ру о достижении максимально допустимой перегрузки. При этом температура масла будет достигать значения расчетной температуры раньше максимально допустимой температуры обмотки, что позволяет не допускать ее перегрева. График расчета допустимой перегрузки при максимально допустимой температуре верхних слоев масла равной 113 °С, представлен на рисунке 4.

К, °73

1 04

0 83

0 41

0 5/

0 21

1 2

0'

1 39

Рисунок 4 - Зависимость допустимых коэффициентов аварийной перегрузки трансформатора при значении Кг м в с> рассчитанном для максимально допустимой температуры верхних слоев масла 113 °С, от продолжительности перегрузки

Таким образом, при помощи термосигнализатора можно регулировать величину перегрузки длительностью более 6 часов, не допуская перегрева обмотки, с погрешностью не более 3%.

Также в главе приведен анализ влияния уточнений, вводимых в тепловую модель силового трансформатора, на его нагрузочную способность.

На рисунке 5 показан график изменения расчетных допустимых перегрузок от продолжительности перегрузки, рассчитанных при помощи уточненного и классического метода. Анализ графика показывает, что перегрузки, рассчитанные при помощи классического метода, независимо от величины продолжительности перегрузки завышены относительно перегрузок полученных при помощи уточненного метода.

Погрешность расчетов перегрузок, полученных при помощи классического метода, относительно уточненного достигает 11%. График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок от продолжительности перегрузки представлен на рисунке 6. Форма графика объясняется тем, что при увеличении продолжительности перегрузки ее допустимую величину начинает ограничивать не максимально допустимая температура обмотки, а допустимый износ изоляции. При этом зависимость величины допустимой перегрузки от величины предварительной загрузки увеличивается. При расчете уточненным методом этот переход ограничивающих параметров начинается при меньших продолжительностях перегрузки, чем при расчете при помощи классического метода. Из-за разности времени наступления этого перехода величина погрешности имеет свой

максимум. При этом при увеличении продолжительности перегрузки максимум величины погрешности наступает при меньших коэффициентах предварительной загрузки трансформатора.

1 - допустимая перегрузка, рассчитанная при помощи классического метода; 2 - допустимая перегрузка, рассчитанная при помощи уточненного метода

Рисунок 5 - График зависимости допустимых перегрузок трансформатора от продолжительности перегрузки

Погрешность расчетов может изменяться в зависимости от параметров трансформатора, величины и продолжительности перегрузки. Погрешность определения величины допустимой перегрузки изменяется от 4 до 15%.

Рисунок 6 - График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок, от продолжительности перегрузки

Анализ проведенных исследований влияния введенных уточнений в тепловую модель позволяет сделать вывод о том, что последние оказывают на расчетную нагрузочную способность значительное влияние и неучиты-вание их в разных случаях может приводить к недопустимым перегревам обмоток силового трансформатора.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с корректировкой тепловой схемы замещения силовых кабелей с бумажной изоляцией на напряжение 10 кВ.

Тепловая модель силовых кабелей напряжением 6-20 кВ дополнена следующими уточнениями: учетом тепловых потерь в металлических оболочках силовых кабелях и их корректировкой от изменения температуры; учетом изменения диэлектрических потерь в изоляции в зависимости от изменения тангенса диэлектрических потерь от температур; используется термическое сопротивление защитной подушки кабеля; учтено изменение термического сопротивления земли при осушке и влияние этого на тепловые параметры схемы замещения кабеля.

В результате проделанной работы тепловая схема замещения силовых кабелей при нестационарных тепловых процессах приведена к виду, показанному на рисунке 7.

$т/2 ^м*- Бпд Бл _5?. Б».

Ф

Рх

-cz>

с,

Ф

-CZJ-сю

Ф t

Соь

с„

Си

Гг

Рж - переменные потери в жилах кабеля, С* - теплоемкость жил кабеля; виз - термическое сопротивление изоляции; СИз - теплоемкость изоляции; Рд - переменные диэлектрические потери в изоляции кабеля; Pos - переменные потери в металлической оболочке кабеля; Сов - теплоемкость оболочки кабеля; впд - термическое сопротивление защитной подушки кабеля; РЕр - переменные потерн в металлической броне кабеля; Сп - теплоемкость защитных покровов кабеля; Sn - термическое сопротивление защитных покровов кабеля; Sz¡ - термическое сопротивление i-го слоя грунта; Cz¡ - теплоемкость i-ro слоя грунта.

Рисунок 7 - Тепловая схема замещения кабеля при нестационарном тепловом режиме

Разработан алгоритм математического моделирования нестационарных тепловых процессов в силовом кабеле с учетом введенных уточнений, требований по вводу исходных данных, заданию ограничивающих параметров теплового режима работы. В результате получены основные зависимости между ограничивающими параметрами и продолжительностью

перегрузки, температурой окружающей среды, величиной начальной загрузки и условиями прокладки кабеля.

Неучитывание вышеперечисленных уточнений тепповых процессов в силовом кабеле приводит к завышенным величинам допустимой перегрузки полученной с использованием классической тепловой модели, по сравнению с величинами перегрузки, полученными с использованием уточенной тепловой модели силового кабеля. График допустимых перегрузок силового кабеля, рассчитанных с использованием классической и уточненной тепловых моделей, показан на рисунке 8.

05 2 35 1 5 65 ч 8

1 - допустимая перегрузка, рассчшанвал при помощи классического метода, 2 - допустимая перегрузка, рассчитанная при помощи уточненного метода

Рисунок 8 - График допустимых перегрузок силового кабеля, рассчитанных с использованием классической и уточненной тепловых моделей

Из анализа графика следует, что при значениях предварительной загрузки К, < 0,5 допустимые перегрузки, рассчитанные при помощи уточненного метода, превышают допустимые нагрузки полученные классиче, ским методом. Это объясняется тем, что в классическом методе не учитывается зависимость потерь в жилах кабеля от его температуры. При увеличении продолжительности перегрузки допустимые значения перегрузки, полученные уточненным методом, получаются ниже значении, полученных при помощи классического метода. Это связано с увеличением сопротивления грунта и значения постоянной времени нагрева кабеля.

Погрешность расчетов перегрузок, полученных при помощи классического метода относительно уточненного, достигает 6%. График зависи-

мости погрешности определения допустимых перегрузок от продолжительности перегрузки показан на рисунке 9.

<

Рисунок 9 - График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок от их продолжительности

Анализ полученных графиков допустимых перегрузок показывает, что неучитывание в тепловой модели таких параметров, как изменение потерь при увеличении электрического сопротивления жил кабеля, потерь в электрических оболочках силовых кабелей, а также изменения тепловых параметров прилегающих к кабелю слоев грунта может привести к недопустимым перегревам изоляции токоведущих жил.

Особое внимание при корректировке тепловой схемы уделено тепловым параметрам почвы: удельной теплоемкости Сг, Дж-см3/°С, и термическому сопротивлению стг, градхм/ Вт. Важной характеристикой некоторых почв является увеличение их удельного термического сопротивления при осушении. Теплота, выделяемая кабелем, вызывает миграцию влаги в почве; в порах почвы, которые первоначально были заняты влагой, остается воздух, и удельное термическое сопротивление увеличивается из-за высокого удельного термического сопротивления воздуха, теплоемкость же, наоборот, уменьшается.

Состав почвы также влияет на удельные величины теплоемкости и теплового сопротивления почвы (тепловые параметры почвы). Влияние изменения этих параметров на допустимые величины перегрузки показано на рисунке 10.

а) влияние тепловых параметров грунта на допустимые систематические перегрузки при их продолжительности 6 часов, б) влияние тепловых параметров грунта на допустимые аварийные перегрузки. 1 — при продолжительности 6 часов, 2 — при продолжительности 12 часов

Рисунок 10 - Влияние тепловых параметров грунта на допустимые нагрузки силовых кабелей

Проведено комплексное исследование влияния тепловых параметров на перегрузочную способность кабеля. Из графиков, изображенных на рисунке 10, следует, что увеличение теплоемкости и уменьшение теплового сопротивления ведет к увеличению допустимой перегрузки. Данные графики построены для продолжительности перегрузки, равной 3 часа (1) и продолжительности перегрузки, равной 12 часов (2). При длительных перегрузках увеличение сопротивления грунта приводит к большим изменениям допустимой перегрузки, чем при кратковременных. Обратная картина наблюдается для теплоемкости грунта - при длительных перегрузках увеличение теплоемкости приводит к меньшим изменениям допустимой перегрузки, чем при кратковременных. Это объясняется тем, что при длительных перегрузках постоянная времени нагрева не оказывает такого влияния на тепловой режим кабеля, как при кратковременных. Поэтому влияние термического сопротивления наиболее сильно сказывается на величины допустимых перегрузок именно при их длительности более двух постоянных времени нагрева кабеля.

В четвертой главе предложено уточнение тепловой модели силового трансформатора, представленного в ГОСТ 14209-97. Уточнения заключаются в следующем:

- ввести в тепловую модель изменения, связанные с корректировкой тепловой постоянной нагрева трансформатора;

- учете в тепловой модели уточнения, связанные с корректировкой тепловой постоянной обмотки трансформатора;

- учете в тепловой модели уточнения, связанные с изменением омического сопротивления обмоток;

- коррекции воздействия температуры охлаждающей среды на расчетный температурный режим работы с учетом тепловой инерционности силового трансформатора;

- в рекомендации проводить расчет теплового режима работы трансформатора для каждого его нагрузочного режима,

- коррекции алгоритма расчета тепловой модели с учетом автоматики обдува силовых трансформаторов систем охлаждения Д.

Заключение

На основании проделанной работы были достигнуты следующие результаты и выводы:

1) Экспериментально установлено, что погрешность расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д классическим методом достигает 8%, уточненным методом - 3%.

2) Использование в классической модели силовых трансформаторов предложенных уточнений приводит к разнице вычислений нагрузочной способности достигающей 11%, при этом классический метод дает завышенные допустимые перегрузки.

3) Экспериментально установлено, что погрешность расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях классическим методом достигает 18%, уточненным - 9%.

4) Использование в классической модели силовых кабелей предложенных уточнений приводит к разнице вычислений нагрузочной способности, достигающей 6%, при этом допустимые перегрузки, рассчитанные классическим методом, как завышают допустимую нагрузку во время продолжительных перегрузках, так и занижают ее при продолжительности перегрузок менее одной постоянной времени нагрева кабеля.

5) В результате комплексных исследований эксплуатационных режимов работы трансформатора установлено, что температура масла в верхних слоях во время перегрузки не достигает своей максимально допустимой величины раньше максимально допустимой температуры обмот-

ки. Поэтому это ограничение при расчетах допустимых перегрузок можно не учитывать.

6) Погрешность разработанного метода по косвенному контролю допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторов, для определенных режимов работы, не превышает 3%.

7) Использование косвенного метода контроля допустимых систематических перегрузок по показаниям термосигнализаторов может приводить к погрешности регулирования более 20% при значениях предварительной загрузки из-за неучитывания эти методом относительного износа изоляции.

8) Разработанный метод выбора величины Омвсном для получения оптимальной перегрузочной способности (для заданных параметров перегрузки) позволяет повысить нагрузочную способность силовых трансформаторов до 10%.

9) Определено, что изменение термических характеристик грунта происходит только в близлежащих слоях, и уже на расстоянии более 10 см тепловой поток практически не влияет на содержание влаги в грунте.

10) Установлено, что термическое сопротивление прилегающих к кабелю слоев грунта при продолжительных перегрузках изменяется до 17%, уменьшая допустимую перегрузку кабеля на 11%.

11) Экспериментально доказана эффективность использование пакета программ по определению допустимых нагрузок трансформаторов на предприятии ОАО "Кубаньэнерго".

Публикации по теме диссертации

1. Куроедов В. И., Лыков А. А. Уточнение тепловой модели силового трансформатора при определении его перегрузочной способности -Электрика, 2003 г., вып.6. - 28-31 с.

2. Куроедов В. И., Лыков А. А. Влияние тепловых параметров грунта на перегрузочную способность силового кабеля - Электрика, 2004 г., вып 10.-21-27 с.

3. Куроедов В. И., Лыков А. А. Влияние параметров комплекса электроснабжения на перегрузочную способность силового трансформатора - сб. межвузовской н-п конференции АЦВО КубГТУ «Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки, производства и образования»Армавир 4.1,2001. - 107-112 с.

4. Куроедов В. И., Лыков А. А. Математическое моделирование потерь электроэнергии на предприятиях и многокритериальная их оптимизация с применением компьютерных технологий — Сб. научных трудов 1-ой международной н-п интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» Орел, 2002. -205 - 207 с.

5. Куроедов В. И., Лыков А. А. Моделирование и рационализация электропотребления предприятий с непостоянной номенклатурой выпускаемой продукции - Сб. научных трудов 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» Тула, 2002. -51-52с.

6. Куроедов В. И., Лыков А. А. Проблемы моделирования системы электроснабжения Армавирского электромеханического завода (АЭМЗ) -Сб. межвузовской н. - п. конференции АЦВО "Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки производства и образования" Армавир, 2001. — 46 - 49 с.

7. Куроедов В. И., Лыков А. А. Статистическое моделирование воздействия нагрузок комплекса электрооборудования цеха на относительный износ силового трансформатора - Сб. н-т 2-ой межвузовской научной конференции «Электромеханический преобразователи энергии» Краснодар, 2003. -89-91 с.

РНБ Русский фонд

2005-4 22765

Лиц. ИД№ 02586 от 18.08.2000 Подписано в печать 14.11.2004 . Зак. № 04-050 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в редакционно издательнском отделе Армавирского механико-технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический

университет» 352905, г. Армавир, ул. Кирова, 127