автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка безопасного электроснабжения и эффективного энергосбережения городов и курортных зон Республики Кипр

На правах рукописи

ХАРАЛАМБУС ХРИСАНТОС

РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ГОРОДОВ И КУРОРТНЫХ ЗОН РЕСПУБЛИКИ КИПР

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЯ 2015

Москва - 2015

005569085

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, заведующий кафедрой Электромеханики, профессор, Геча Владимир Яковлевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Копылов Сергей Игоревич

Васильева Татьяна Николаевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет", профессор кафеяры Промышленной электроники

Трифонов Александр Александрович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина", доцент кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности

Ведущая организация: ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский

институт электрификации сельского хозяйства ФАНО России

Защита состоится «05» июня 2015 г. в аудитории М-606 в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

Автореферат разослан «5.9 » сСЬр9М2015 года

Ученый секретарь диссертационного

Совета Д212.157.02

кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование различных источников энергии многократно увеличивает возможности человека, а его удельная энерговооруженность во многом определяет уровень развития страны и уровень жизни людей.

Вместе с тем попытка увеличить масштабы потребления энергии привела бы к увеличению производства первичных энергоресурсов, что в условиях наметившейся в мире стабилизации добычи органического топлива и экологических ограничений, видимо, невозможно и неразумно.

Важно, исходя из особенностей страны и структуры ее экономики, определить те действительно необходимые и разумные уровни удельного энергопотребления, которые обеспечили бы людям достойную жизнь в согласии с природой. Это не только позиция Республики Кипр, но и остальных стран Евросоюза, озабоченных сложившейся зависимостью от импорта энергоресурсов и поэтому для них типично стремление к снижению потребления энергии.

Для достижения этих целей в настоящее время разработана и успешно применяется на практике концепция интеллектуальной («умной») сети, SMART Grid - которая должна обеспечивать надежное электроснабжение в современных энергосистемах при расширяющейся доли участия в производстве электроэнергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Бесперебойное надежное электроснабжение является одним из главных требований, предъявляемых к энергохозяйствам во всех отраслях. Обеспечение живучести энергосистемы, т.е. способность противостоять резким изменениям режима, при этом имеется в виду, в первую очередь, развитие аварий с массовым нарушением питания потребителей (короткое замыкание или непредвиденная потеря части системы), является важнейшей задачей для большинства современных энергосистем во всём мире.

Ещё одним важным фактором обеспечения необходимого уровня удельного энергопотребления, является аккумулирование электрической энергии в больших количествах и на длительное время, и это довольно сложная задача. Поэтому согласование работы тепловой станции с графиком потребления является одной из важных и не до конца решенных задач.

Одна из возможностей смягчить проблему согласования графиков потребления электроэнергии и тепла состоит в использовании тепловых насосов. В этом случае избыток электроэнергии в часы провала потребления

затрачивается на привод компрессоров тепловых насосов, которые могут быть установлены непосредственно у потребителя тепла.

Цель работы. Разработка технических, экологических и экономических мероприятий, повышающих эффективность снабжения и потребления электроэнергии в городах и курортных зонах острова Кипр.

Для достижения поставленной цели необходимо подробно исследовать развитие системы электроснабжения острова Кипр, методики диагностики и контроля сетевого электрооборудования, а также зданий и других объектов третичного сектора, разработать (предложить) надежные ограничители токов КЗ, проанализировать возможности использования тепловых насосов для систем обогрева и кондиционирования.

Объект исследования. 1. Система электроснабжения, структура потребления и возобновляемые источники электроэнергии острова Кипр.

2.Тепловые насосы, их использование для обогрева и кондиционирования, а также для согласования потребления электроэнергии и тепла потребителем.

Предметом исследования является анализ особенностей электроснабжения острова Кипр, выявление путей качественного повышения его надежности, за счет применения разработанных на основе современных подходов методик расчета токоограничивающих устройств и обоснование существенного повышения энергоэффекгивности электроснабжения на основе методики расчет теплонасосной установки с грунтовыми коллекторами.

Методы исследований. Исходя из поставленных задач, были выбраны следующие методы: теоретические, математические, статистические, а также наблюдение и теоретический анализ. Результаты измерений были получены с помощью различного измерительного оборудования, а также были использованы архивные данные из различных государственных служб (энергетической, статистической, геологической, метеорологической) острова.

Использовались различные методы расчетов линейных и нелинейных дифференциальных уравнений и результаты их решений, элементы теории нелинейных магнитных цепей, теория поля и электрических цепей. В процессе расчетов и анализа вычислительных задач применялись Microsoft world, Microsoft excel, Microsoft paint, пакет программ Math CAD.

Научная новизна. На основе выполненного анализа, с учетом местных особенностей, проанализирована система электроснабжения и энергопотребления острова Кипр, обоснованы пути повышения надежности и энергоэффективности электроснабжения.

Разработаны алгоритмы, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью рассчитывать токоограничивающие устройства индуктивного типа.

Для электросетей острова Кипр предложено токоограничивающие устройство индуктивного типа со стальной обмоткой, отличающееся высокой экономичностью.

Впервые для системы электроснабжения острова Кипр обоснована эффективность использования тепловых насосов с ВИЭ для обогрева и кондиционирования, а также для выравнивания суточных графиков нагрузки.

Практическая ценность и реализация результатов. 1. Данные на основе проведения анализа структуры потребления электроэнергии по секторам экономики для острова Кипр, а также данные об имеющихся на острове источниках энергии, как возобновляемых, так и невозобновляемых.

2. Диагностика и мониторинг сетевого электротехнического оборудования и зданий, составление требований, представленных к объектам, использующих, в том числе и ВИЭ.

3. Обеспечение устойчивости работы сети, защите от аварийных режимов (в том числе КЗ), с другой стороны, использование ВИЭ с целью снижения потребления природных ресурсов.

4. Обоснование применения тепловых насосов: за прошедшие 3 года (5 компаний начали их установку на острове Кипр).

Достоверность разработанных методик расчётов и полученных результатов диссертации обусловлена точностью математических расчётов, а также достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.

Апробация работы: Основные материалы диссертации докладывались на 9-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2014, а также на заседаниях кафедр МЭИ и РГАЗУ.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них три в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и списка, используемых сокращении. Работа содержит 129 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 38 рисунков, список литературы из 124 наименований на 13 страницах и список используемых сокращении на одной странице.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа системы электроснабжения и энергопотребления острова Кипр и пути существенного повышения их надежности и энергоэффективности.

2. Конструкции токоограничивающих устройств и методики их расчетов;

3. Анализ вариантов использования ВИЭ и тепловых насосов в системах отопления и кондиционирования;

4. Рекомендации по их использованию с учётом климатических условии Средиземноморья.'

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, определены её научная новизна и практическая значимость результатов, дана информация о структуре и объеме работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена концепция развития электрических сетей с повышенной надежностью электроснабжения. Проанализирована структура потребления электроэнергии в городах и курортных зонах острова Кипр. Рассмотрена существующая ситуация в производстве (таблица 1 и 2) (с учетом возрастающей части возобновляемых источников энергии) и распределения электроэнергии (Рисунок 1).

Выявлены основные направления потребления, это - отопление (кондиционирование), а также освещение и бытовая техника (Рисунок 2).

Таблица 1. Установленная генерирующая Таблица 2. Соотношение расходуемого мощность выработки электроэнергии в топлива к полученной электроэнергии,

период между 2003 годом и 2013 годом,[МВт]. [Мое].

Вид топливо 2003 2008 2013

Мазут 500 540 545

Дизельное топливо 515 584 593

Сжиженный нефтяной газ - - 220

Гидроэнергетика - 5 5

Биотопливо (биомасса) - 8 100

ВИЭ 10 180

Всего 1015 1147 1643

Вид топливо Расходуем оетопливо Полученная электроэнергия

Мазут 411 137,87

Дизельное топливо 447 142,52

Сжиженный нефтяной газ 166 49,50

Гидроэнергетика - 3,76

Биотопливо (биомасса) 75,34 29,55

ВИЭ - 66,67

Всего 1100 430

■ Жилой Сектор

35%

■ Третичный Сектор

49%,

в Промышленный Сектор

Рис. 1. Конечное потребление электроэнергии по секторам деятельности.

8% 6%

■ Отопление помещений

в Бытовая техника и освещение

• Приготовление пищи (питание)

■ Охлаждение помещений

* Нагревание воды

14% _ 27%

.45%

Рис. 2. Потребление электроэнергии в секторах деятельности по видам конечного использования.

Главная задача, которая ставится при разработке любой концепции высоконадежной электрической сети - обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей. Для этого должна быть разработана система непрерывного контроля и диагностики оборудования.

Во второй главе исследуются средства контроля и диагностики сетей и электрооборудования, а также мероприятия по минимизации потерь тепла (холода) в строениях у потребителей.

Надёжная работа электрооборудования подстанций является одним из основных факторов, определяющих стабильное электроснабжение объектов народного хозяйства. Согласно «Динамике приростов фактического электропотребления», рост потребления электроэнергии по территории острова Кипр в 2012 году превысил плановое потребление 2011 года на 1,9%, а в декабре 2013 года составил 4,7%. Рост потребления электроэнергии при резком повышении требований к надёжности и долговечности оборудования ставит новые задачи по повышению эксплуатационной надёжности оборудования подстанций и линий электропередачи.

Согласно данным из АНК (Энергетическая Служба Кипра), износ сетей в целом составляет 48,5%, в том числе подстанционного оборудования -60%, линий электропередач - 41,9%. Удельная повреждаемость оборудования с большим сроком эксплуатации существенно возрастает.

Так, например, для высоковольтного маслонаполненного электрооборудования (МНЭО) по объектам «АНК» ситуация выглядит следующим образом. Относительное количество автотрансформаторов и шунтирующих реакторов, нормированный срок службы которых исчерпан, составляет от 18% до 45% в зависимости от класса напряжения, причём тенденция к «старению» оборудования продолжается. По другим видам высоковольтного МНЭО ситуация аналогична: около половины парка оборудования работает сверх нормированного срока службы.

Ниже приведены (в нашем распоряжении имеются) результаты обследований более двухсот трансформаторов, изготовленных в разных странах Европы (Швеция, Бельгия, Англия и Италия) и установленных в разных городах и курортных зонах Республики Кипр. Почти 70% из обследованных трансформаторов имели наработку более 25 лет. Обобщённые результаты комплексных диагностических обследований показаны на рисунке 3.

я Эксплуатация без ограничений - 33% а Учащенный контроль - 27% ■ Замена трансформатора -3% Капитальный ремонт - 17% а Замена вводов и ремонт отдельных узлов -20%

Рис. 3. Результаты обследований трансформаторов.

Как видно из диаграммы, 33% трансформаторов, из числа обследованных могут продолжать эксплуатироваться без каких либо ограничений. И всего лишь 3% должны быть заменены. Остальные трансформаторы требуют либо капитального ремонта (17%), либо относительно небольших и недорогостоящих восстановительных ремонтов (20%), либо просто учащённого контроля (27%).

Анализ опыта эксплуатации высоковольтного МНЭО показывает, что в результате несвоевременного выявления дефектов оборудования увеличивается вероятность развития тяжёлых последствий. При этом возрастает объём и длительность проводимых ремонтных работ на энергообъектах.

Внедрение систем контроля и диагностики является актуальным, так как 67% эксплуатируемых силовых трансформаторов выработали свой ресурс и продление их срока службы без риска для эксплуатации практически невозможно.

Надёжность электроснабжения на острове Кипр зависит от:

- поставки электроэнергии в пункты питания распределительных электрических сетей;

- самих распределительных сетей общего пользования;

- технологических схем электроснабжения конкретных потребителей.

В создавшихся условиях стратегической линией развития электроэнергетики является разработка эффективных диагностических систем - средств и методов диагностики, позволяющих подтверждать работоспособность оборудования (бездефектное состояние) или обнаруживать повреждения на ранней стадии их развития (рабочее состояние) и, в конечном счёте, оценивать остаточный срок службы.

Диагностика состояния высоковольтного оборудования основана на установлении взаимосвязи между регистрируемыми изменениями физико-химических, электрических, механических и других свойств элементов конструкции высоковольтного оборудования и параметрами его надёжности, в частности, и остаточным сроком службы.

В числе современных средств диагностики и методик оценки состояния оборудования, внедрённых в последние годы, можно отметить:

- тепловизионный контроль электрооборудования;

- хроматографический анализ газов растворённых в масле силовых трансформаторов;

- акустический способ обследования электрооборудования;

- системы мониторинга оборудования с непрерывным контролем параметров и телемеханики.

По результатам исследования оборудования выявляются и классифицируются дефекты:

1. на ранней стадии развития, которые следует держать под контролем и принимать меры по устранению во время проведения планового ремонта;

2. развившиеся, по которым должны быть приняты меры при ближайшем выводе оборудования из работы;

3. аварийные, требующие немедленного устранения.

Поддержание энергобаланса в сетях и в энергосистеме в целом, зависит и от состояния зданий и их системы кондиционирования. Согласно данных «Департамента строительства жилищного хозяйства и городского развития» острова Кипр, 64% зданий в городах и курортных зонах острова не удовлетворяют критериям энергетического баланса строений. Результатом

этого являются значительные расходы электроэнергии в связи с изменением нагрузок в зданиях в зависимости от времени года (зима - лето).

Кондиционирование воздуха, применяемое в промышленных, сельскохозяйственных, торговых, жилых и других помещениях, предназначено для поддержания температуры и влажности воздуха на определённом уровне. Система кондиционирования воздуха должна обеспечить сложный энергобаланс внутри здания, который легко можно контролировать при помощи системы тепловизионного контроля здания (аналогично энергетическому паспорту здания в Российской Федерации).

Также необходим для достижения этих целей контроль качества теплоизоляции и герметичности здания, испытание наружных стен, чердачных перекрытий, холодных подвалов, ворот и дверей, балконов и окон для обеспечения минимизации потерь энергии. Больше влияние на энергобаланс зданий оказывает система кондиционирования. Когда она плохо спроектирована или работает не эффективно, то энергобаланс может легко нарушиться и образовавшиеся потери энергии окажут значительное влияние на уровень эксплуатационных расходов.

Разработка современных методов диагностики и контроля повышает бесперебойность энергоснабжения, уменьшает количество аварийных отключений, снижается потери тепла (холода). Однако, какими бы совершенными не были системы диагностики и контроля, в электрических системах неизбежно возникают повреждения (в первую очередь КЗ).

В третьей главе дано описание электроснабжения острова Кипр, включающее в себя три базовых электростанции, электрические сети (передающие (1570 км) и распределительные) и другие объекты электросетевого хозяйства, в основном это трансформаторные подстанции и объекты ВИЭ, доля которых от общего потребления электроэнергии составляет менее 4%.

Почти 70% оборудования проработало более 25 лет, нормативный срок службы исчерпан, проявляет высокую степень износа.

Рост генераторных мощностей современной энергосистемы и увеличение мощностей нагрузок приводят, с одной стороны, к росту энерговооруженности и производительности труда, а с другой - к существенному повышению уровней токов КЗ.

В настоящее время разрабатываются различные устройства, позволяющие ограничивать токи КЗ, включая ударное значения. В третьей главе проводится техническое обоснование и сравнительный анализ

использования токоограничивающих устройств для линий 132 кВ, которые являются базовыми передающими линиями энергосистемы Кипра.

Принципиальные схемы токоограничителей трансформаторного и автотрансформаторного типов приведены на рис.4.

а. 6.

Рис.4. Схема включения токоограничителя: а) трансформаторного типа, 6) автотрансформаторного типа.

Особенность токоограничителя автотрансформаторного типа состоит в том, что его обмотки связаны не только индуктивно, но и гальванически (см. схему на рис.4.б). Поэтому, естественнее считать, что такой токоограничитель имеет только одну обмотку, разделенную на несколько секций.

В номинальном режиме ток секции ¿, равен току сети JI=JS, а токи короткозамкнутых секций, направлены противоположно Js (при этом, модуль тока через выключатель каждой из секций равен сумме модулей тока секции и тока сети). Это, как и в случае токоограничителя трансформаторного типа, обеспечивает низкое значение эквивалентной индуктивности Iэ .

В процессе размыкания выключателя, ток соответствующей секции меняет направление и далее растет до значения, равного току сети.

В режиме ограничения тока все секции обмотки оказываются соединенными последовательно и все участвуют в формировании необходимой индуктивности ь„ . В этом и состоит резерв экономии материала по сравнению с трансформаторной схемой, в которой величина ь„ равна индуктивности только первичной обмотки. По условиям расчета, количество короткозамкнутых секций и, соответственно, количество выключателей может быть любым. Предполагается, что сигнал на размыкание подается управляющей системой одновременно на все выключатели.

Однако характеристики выключателей и время задержки их срабатывания Дтр можно задавать различными. Такой подход позволяет определить влияние на переходный процесс естественного разброса технических характеристик выключателей.

При наличии п секций, из которых секция №1 не содержит выключателя, а остальные (с номерами от 1 = 2 до п) короткозамкнуты, распределение токов определяется системой из п дифференциальных уравнений:

<¿7 "

=ио -ЩМ+Ъ)-*'* Ч, (1)

М2.^ '(Л Ч , (2)

..........••••••♦«•••иммтммииммшн 9

м* •(•/,-Л. (3)

Здесь я,^, - активное сопротивление и ток секции ¡, ми - взаимная индуктивность секций к и ¡, ди - сопротивление выключателя секции 1а- эквивалентная индуктивность секции I, равная сумме строки I в матрице

взаимных индуктивностей секций 1а ='£м1/ . Для расчета токов через

выключатели и напряжений на них используются соотношения: J„ =JS-JI, ии = я„ ■ . Кроме того, естественно, что Jl= Js.

Из системы (1-3) видно, что значения Я и Ь представляют собой активное сопротивление и индуктивность участка цепи, незамкнутого выключателями. Поэтому, в номинальном режиме: £ = 1г + £|э + 1И и Я = Д8 + Я, + Ян. Значения к^, естественно, равны сопротивлениям замкнутых вьшпочателей. При переходе к режиму нерегулируемого КЗ следует положить = о и ¿„ = о . При размыкании выключателей значения вычисляются в соответствии с заданной для них характеристикой. Момент полного размыкания устанавливается условием <0,001 - у,. После полного размыкания выключателя ¡, из системы (1-3) исключается уравнение, соответствующее секции, которую замыкал этот выключатель - уравнение (3). С этого момента J,=JS, а к значению I в уравнении (1) добавляется эквивалентная индуктивность секции к ь = ь + ь,э. После полного размыкания

12

выключателя, напряжение на нем не может быть вычислено как произведение ди ■ у, , так как это соотношение становится неопределенностью вида со • о. Поэтому используется соотношение:

Режим ограничения тока наступает после полного размыкания всех выключателей. К этому времени в системе (1-3) остается только первое уравнение, определяющее ток сети, которому равны токи всех секций обмотки.

В качестве исходных данных для индуктивных токоограничителей обозначенных типов принималось: номинальное напряжение — 132 кВ; номинальный ток - 2 кА; падение напряжения в номинальном режиме - 1 кВ; ток срабатывания защиты токоограничителя - 5 кА; ударный ток — <15 кА; допустимое время размыкания токоограничителя - от 2 до 5 мс; время ограничения тока КЗ - 120 мс. Итоговые данные проведенных расчетов сведены в таблицу 3.

В результате расчётов установлено, что автотрансформаторная схема предпочтительнее трансформаторной, так как позволяет сократить вес обмотки и потребляемую мощность приблизительно в 1,5 раза.

Показано, что дальнейшее улучшение характеристик токоограничителя возможно при использовании нескольких выключателей, размыкаемых по сигналу одной управляющей системы.

Адиабатическая обмотка ВЛ'°5 таблица 3. При использовании четырех выключателей, конструкция токоограничителя меняется радикально и становится дисковой катушкой разделённой на 4 радиальные секции (рис.5).

Материал обмотки - стальная лента сечением S = h-b = 100-0,5 мм2. При такой конструкции проблема компенсации осевых нагрузок не возникает, поскольку они взаимно уравновешиваются в пределах высоты каждого витка. Для компенсации радиальных нагрузок, достаточно собственной прочности стальной ленты. В обеспечении необходимого соотношения электрической прочности и теплопроводности изоляции нет необходимости, так как условия теплообмена в адиабатическом процессе не имеют значения. Как видно из таблице 3., вес материала такой обмотки сокращается по сравнению с В№1 более чем в 40 раз. Мощность, потребляемая в номинальном режиме - ничтожна (1,6 кВт - это мощность, выделяющаяся на замкнутых контактах четырех выключателей).

п

dJ

(4)

Таблица 3.Характеристики токоограничителей (*-действующие значения).

Характеристика ед. изм. значение

В№1 В №2 | В №3 | В №4 | В №5

Вид обмотки - послойная, трансформ. дисковые катушки, схема автотрансформатора

Количество слоев или дисков, материал обмотки - 10 медь 9 медь 7 медь 5 медь 1** сталь

Количество выключателей - 1 1 2 3 4

Внутренний диаметр [м] 2,15 1,45 1,65 1,65 1,0

Наружный диаметр [м] 2,98 2,9 2,9 2,9 2,5

Общая высота обмотки [м] 1,9 0,835 0,775 0,545 0,1

Суммарное число витков - 200+40 206 191 188 296

Общий вес обмотки [Т] 26,9 18,3 13,69 8,76 0,64

Потребляемая мощность в номинальном режиме (выключатели замкнуты) [кВт] 296 178,2 120,3 83,26 1,2

Падение напряжения на токоограничителе в номинальном режиме*. [кВ] 0,81 0,98 0,86 0,65 0,00

Индуктивность токоограничителя в номинальном режиме [мГн] 1,28 1,56 1,37 1,04 0,00

Токи секций в номинальном режиме* [кА] 2; 10,1 2; 5,76 2; 2,12; 2,12 2; 0,70; 2,58;0,70 0,00

Плотности токов в секциях в номинальном режиме* [А/ммг] 2,29; 2,02 2,13; 1,92 1,96; 2,08 1,96; 2,06; 2,02; 2,06 0,00

Индуктивность токоограничителя в режиме «ограничения тока» [мГн] 76,5 76,8 77,0 77,7 157,4

Ударный ток [кА] 14,0 14,2 13,4 14,25 14,9

Максимальное значение тока в режиме ограничения тока [кА] 14,4 14,5 14,4 14,3 5,83

амплитуда переменной составляющей тока в режиме ограничения тока [кА] 7,25 7,23 7,26 8,45 3,5

Максимальное среднее значение тока в режиме ограничения тока [кА] 7,16 7,01 7,06 5,7 0,15

Оптимальный коэффициент увеличения сопротивления выключателя при размыкании (к*) - 3,7 5 И 12 15

Максимальные напряжения на выключателях в аварийном режиме [кВ] 5 4,6 68,8 62,6; 62,6 54,3; 59,4; 54,3 66,5

Максимальные токи через выключатели в аварийном режиме [кА] 69,7 56,1 26,9; 26,9 19,8; 31,4; 19,8 14,85

Напряжения на выключателях в режиме ограничения тока* [кВ] 34,2 31,4 29,6; 29,6 28,4;19,5; 28,4 31,4

** Характеристики В5 вычислены при соблюдении одного из следующих условий:

1) сокращение времени запаздывания срабатывания выключателей с 0,1 до 0,075 мсек.;

2) увеличение собственной индуктивности аварийного участка цепи (индуктивности генератора) с 2 до 3,6 мГн;

3) включение дополнительной обмотки индуктивностью 1,6 мГн. Ориентировочные характеристики дополнительной обмотки: (1=1 м; &=2м; Н=0,1м; \У=31; Р=12,4кВт; 0=1,Зт.

Рис.5. Токоограничитель автотрансформаторного типа со стальной обмоткой.

Адиабатическая обмотка.

Переходный процесс в токоограничителе В№5 представлен на рис.6, (расчет корректен при использовании немагнитных сортов стали). Как видим, максимум / в режиме ограничения тока ниже значения, ограниченного техническим заданием в 2,5 раза. Кроме того, за счет повышенного активного сопротивления обмотки значительно подавлен средний ток (18 < 0,15 кА при любом времени начала КЗ).

При наихудшем, с точки зрения выделяемой мощности, варианте переходного процесса (в случае начала КЗ при ¡ = 0 ) коэффициент увеличения мощности равен кр = 1,67. Это соответствует нагреву обмотки за один аварийный режим (при р = 2-Ю"7 Ом-м, г = 120 мсек) на 17°С. Токоограничитель должен выдерживать три следующих подряд аварийных отключения. Даже если пренебречь охлаждением обмотки в промежутке между включениями, ее нагрев в течение трех режимов не превысит 51 °С.

-О,г 0.0 0,2 О,* 0,6 0,8 1,0 1,2 1Л 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

а®*<83) - Л^ЮЗ) а Лв»(в4) -

•'»•<85' -- ^»<В5> «■ .|»-<Вв) -— .^-(Вв)

Рио.6. Изменение тока сети в переходном процессе. Адиабатическая обмотка.

Вариант №5 (табл.3). I* = ] / ;Гн, I* = I / Т, Л = 2 кА, Т = 20 мсек.

Параметр кривых - время начала режима КЗ. Точки - моменты начала режимов.

Особо остро для энергетической системы острова проявляется вопрос об отсутствие надежных накопителей энергии. Разработка накопителей электрической энергии для регулирования графиков генерирования и потребления электроэнергии установками различных типов и назначений в сетевой и децентрализованной энергетике является актуальной научно-технической проблемой.

Аккумулировать электрическую энергию в больших количествах и на длительное время довольно сложно. Одна из возможностей смягчить проблему состоит в использовании тепловых насосов. В этом случае избыток электроэнергии в часы провала потребления затрачивается на привод компрессоров тепловых насосов, которые могут быть установлены непосредственно у потребителя тепла (холода).

16

Избыток электроэнергии в часы провала потребления на острове Кипр может использоваться через теплонасосные устройства для:

• подогрева водопроводной воды в утренние часы;

• полива зелёных насаждений;

• очистки, фильтрации и замене воды в бассейне;

• технологических процессов в сельском хозяйстве и т.п.

В четвёртой главе исследуется возможность использования для кондиционирования (обогрева) тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий и оборудования, использующих нетрадиционные источники энергии.

На острове Кипр в зимнее время тепловой насос «трансформирует» тепло из окружающей среды для использования в системе отопления, а летом, наоборот, «холод» из скважины (7-9 °С) используется, чтобы создать необходимый климат в здании. При этом в том и в другом случае на привод компрессора затрагивается электрическая энергия, причём максимум потребления приходится на летнее время.

Количество трансформируемого тепла, а, следовательно, и размер необходимой поверхности для расположения грунтового коллектора существенно зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Такие теплофизические свойства, как теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта. В этом отношении определяющим является доля воды, содержание минеральных составляющий, а также доля и размер пор, заполненных воздухом.

Дополнительная информация по теплофизическим свойствам грунта, климатическим условиям местности и температуре земляного покрова приводится в таблицах диссертации, полученных автором в геологической лаборатории района 21А Центральной каменоломни острова Кипр.

В работе приводится примерный расчёт теплонасосной установки с грунтовыми коллекторами (горизонтальным и вертикальным) для здания расположенного на острове Кипр (рис.7).

(а). (б).

Рис.7, (а) Теплонасосная установка с горизонталъньш грунтовым коллектором (теплообменник из последовательно соединенных труб); (б) Теплонасосная установка с вертикальным грунтовъш коллектором: общий вид и разрез А-А, схема грунтового зонда (двойной U-образны, трубчаты зонд); 1 - подающая магистраль, 2 - обратная магистраль, 3 - петлевой зонд с бетонитом, 4 - защитный колпачок.

Данные, полученные от расчётов для двух видов грунтовых коллекторов, не имеют больших различий. Для правильного выбора коллектора проведём сравнительный анализ двух видов, учитывая теплофизические свойства грунта и климатические условия местности. В этом отношении определяющим фактором является доля воды в грунте, содержание минеральной составляющей (кварц, полевой шпат), а также доля и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше доля воды и минеральных составляющих и чем ниже содержание пор.

При горизонтальном исполнении коллектора обычно контур размещается на участке земли площадью 350-500 квадратных метров, недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строения, чтобы тепло земли пополнялось за счёт солнечной энергии.

Кислотность верхних слоев почвы на острове Кипр (рН>5) выше, чем на глубине из-за высокого содержания серы и её примесей (вулканическая порода). Поэтому срок службы горизонтального коллектора в геохимических условиях грунта острова Кипр сокращается, составляет примерно 25-30 лет, а вертикального грунтового коллектора увеличивается до 50-75 лет (рН<5).

Над вертикальным коллектором можно возводить постройки, так как

они практически не оказывают влияния на работу установки, т.е. на тепло,

которое циркулирует с помощью хладагента в системе теплового насоса

(температуру скважины). Кроме того, скважина заливается бетонитом,

18

хорошо проводящим тепло, что приводит к увеличению энергоэффективности теплового насоса.

Необходимо отметить, что использование теплонасосных установок приводит к сбережению невозобновляемых энергоресурсов и защите окружающей среды, в том числе за счёт сокращения выбросов СОг в атмосферу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. При анализе потребляемой электроэнергии по трем секторам деятельности: жилом, третичном и промышленном, становится ясно, что жилой и третичный сектора используют больше производимую электроэнергию, чем нефтепродукты напрямую, а в промышленном секторе наоборот. При этом самое большое количество электроэнергии расходуется на отопление (кондиционирование) около 45%, на втором месте находится потребление бытовой техникой и на освещение, приблизительно 27%.

2. В последние годы в производстве электроэнергии все больше участвует ВИЭ (возросло с 4% до 8% за 10 лет). Повышение эффективности использования ВИЭ является одним из главных путей получения значительной экономии топлива в будущем.

3. Внедрение методов диагностики и контроля повышает (максимально обеспечивает) бесперебойность энерго- и теплоснабжения, уменьшает количество аварийных отключений и простоев электрооборудования. Экономический кризис, стареющее электротехническое оборудование осложняют эту задачу.

Шестьдесят четыре процента (64%) зданий в городах и курортных зонах Кипра не удовлетворяют критериям энергетического баланса строений. Результатом этого являются значительные расходы электроэнергии.

4. Дано описание электроснабжения острова, отмечается использование трансформаторов большого числа различных производителей и высокая степень износа оборудования на многих трансформаторных подстанциях (до 70%). Основные ЛЭП на Кипре являются передающие линии, работающие под напряжением 132 кВ.

5. Разработана методика расчета токоограничителей индуктивного типа, проведено сравнение различных конструкций для базовых линий 132 кВ. Проведенное сравнение токоограничителей автотрансформаторного и трансформаторного типа, показало, что в токоограничителях автотрансформаторного типа уменьшились вес обмотки и потребление мощности приблизительно в 1,5 раза.

6. Показано, что дальнейшее улучшение характеристик токоограничителя возможно при использовании нескольких выключателей, размыкаемых по сигналу одной управляющей системы. При использовании 4 выключателей (адиабатическая обмотка) вес обмотки уменьшается более чем в 40 раз, потребляемая в номинальном режиме мощность, практически, равна нулю, упрощается конструкция обмотки, улучшается качество защиты цепи.

7. Использование тепловых насосов вблизи потребителей дает возможность решать проблему согласования графиков потребления тепла и электроэнергии, что приводит к сокращению потребления электроэнергии.

8. Проведено исследование систем кондиционирования и отопления зданий. Приведены исходные экспериментальные данные полученные автором для проведения расчетов теплонасосных установок с грунтовыми теплообменниками. Сравнительный анализ теплонасосных установок с горизонтальными и вертикальными грунтовыми коллекторами показал что, эффективнее будет использовать теплонасосную установку с вертикальным коллектором.

Публикации по теме диссертации: Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Хараламбус X., Попова М.В., Копылов С.И. Использование низкопотенциального тепла на Кипре. Техника и оборудование для села. №3(201), 2014г. С.45-48.

2. Хараламбус X., Попова М.В., Копылов С.И. Повышение надёжности энергообеспечения потребителей на Кипре. Техника и оборудование для села. №5(201), 2014г. С.41-45.

3. Копылов С.И., Геча В.Я., Хараламбус X., Желтов В.В., Сытников В.Е. К вопросу создания токоограничивающих устройств индуктивного типа. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2014г., Том 141, С.3-18.

Публикации в других изданиях

4. Хараламбус X., Каменева Е.Ю., Копылов С.И. Использование тепловых насосов на острове Кипр. Труды 9-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", 2014 г., М., ФГБНУ ВИЭСХ. 4.4 - С. 187-191.

5. Копылов С.И., Хараламбус X., Жариков O.E., Ковалев Е.П., Маркарова Э.Н. К вопросу развития систем диагностики и контроля сетевого электрооборудования. Электронное научное издание «Вестник РГАЗУ» 2014г. ч.2.

Подписано в печать ЯО/О зак, ЦО Хир. -fÖ П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13