автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики и технических средств расчетного и экспериментального определения токов короткого замыкания от аккумуляторных батарей с учетом изменения их параметров в процессе эксплуатации

Введение.

1. Электроустановки постоянного тока с аккумуляторными батареями.

1.1. Потребители энергии постоянного тока.

1.2. Свинцово-кислотный аккумулятор. Процесс разряда.

1.3. Электрические схемы установки постоянного тока.

1.4. Параметры аккумуляторных батарей в действующих методиках расчета тока короткого замыкания.

1.5. Способы диагностики аккумуляторной батареи.

1.6. Математическое моделирование аккумулятора.

2. Математическая модель аккумулятора для расчета токов короткого замыкания.:.

2.1. Анализ и сопоставление математических моделей аккумулятора.

2.2. Адаптация математической модели аккумулятора для расчета тока короткого замыкания.

2.3. Анализ экспериментальных данных и их сопоставление с теоретическими результатами моделирования.

2.4. Рекомендации по учету характеристик аккумуляторных батарей при расчете тока короткого замыкания.

3. Разработка средств диагностики электроустановок с аккумуляторными батареями.

3.1. Способ диагностики свинцово-кислотных аккумуляторов.

3.2. Разработка программно-технического комплекса для диагностики электроустановок с аккумуляторными батареями.

3.3. Разработка рекомендаций по проведению диагностики аккумуляторных батарей.

Актуальность работы. Электроустановки оперативного постоянного тока являются важнейшей составной частью системы обеспечения управляемости и живучести электростанций и подстанций. От электроустановок оперативного постоянного тока зависит возможность функционирования цепей управления, защиты, контроля и регулирования основного оборудования электростанций и подстанций, устройств сигнализации и связи.

Ежегодно в энергосистемах фиксируются случаи несрабатывания или не селективной работы защитных аппаратов в электроустановках оперативного постоянного тока при коротких замыканиях. Значительная доля таких случаев сопровождается повреждением высоковольтного оборудования. Анализ проектных материалов и эксперименты на действующих электроустановках позволили установить, что одной из основных причин отказов защитных аппаратов является несовершенство методов расчета границ возможного изменения токов короткого замыкания. В отраслевых методических указаниях по расчету токов короткого замыкания и выбору защитных аппаратов отсутствуют рекомендации по учету многих факторов действующих на снижение значений токов короткого замыкания. Значения токов короткого замыкания, полученные по действующим отраслевым методикам, в ряде случаев превышают экспериментальные значения токов в 2 - 3 раза, что может быть причиной не срабатывания защитных аппаратов, выбранных с минимальным запасом по чувствительности.

К факторам, действующим на снижение значений токов короткого замыкания и не учитывающимся действующими методическими указаниями, относятся и такие факторы, как зависимость параметров аккумуляторной батареи от температуры окружающей среды и степени ее разряженности, а также фактор старения аккумуляторных батарей. На многих подстанциях продолжают эксплуатироваться аккумуляторные батареи, введенные в работу более 25 лет назад. Емкость и внутреннее сопротивление таких батарей могут существенно отличаться от паспортных значений, что дополнительно снижает уровень токов короткого замыкания и приводит к потере чувствительности защитных аппаратов.

Ухудшение параметров аккумуляторных батарей трудно проконтролировать. Отсутствие эффективных средств диагностики электроустановок с аккумуляторными батареями не позволяет своевременно выявить ухудшение параметров аккумуляторов и предупредить снижение надежности и живучести электростанций и подстанций до критического уровня.

Таким образом, развитие методики расчета токов короткого замыкания в электроустановках оперативного постоянного тока в направлении более полного учета всех факторов, существенно влияющих на процесс короткого замыкания представляется актуальным.

Целью работы является разработка методики учета изменения параметров свинцово-кислотных стационарных аккумуляторных батарей в зависимости от температуры окружающей среды и степени разряженности при расчете тока короткого замыкания для проверки чувствительности защитных аппаратов сети оперативного постоянного тока электростанций и подстанций. Разработка методов и средств диагностики свинцово-кислотных стационарных аккумуляторов на действующих электроустановках электростанций и подстанций.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования на основе теории дифференциальных уравнений в частных производных, объектно-ориентированные методы программирования и эксперименты на действующих электроэнергетических установках.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана приближенная математическая модель свинцово-кислотного стационарного аккумулятора, учитывающая влияние температуры и степени разряженности при определении вольтамперных характеристик аккумулятора для целей проектирования электроустановок постоянного тока.

2. Разработана методика учета изменения вольтамперных характеристик аккумуляторов в зависимости от температуры и степени разряженности при проверке чувствительности защитных аппаратов сети оперативного постоянного тока электростанций и подстанций.

3. Разработан принцип действия устройства для диагностики свинцово-кислотных стационарных аккумуляторных батарей и методика его применения на электростанциях и подстанциях.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными автором, хорошим согласием с результатами других исследований.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработаны рекомендации по расчету тока короткого замыкания для проверки чувствительности защитных аппаратов при возможных условиях эксплуатации аккумуляторных батарей. Разработан программно-аппаратный комплекс для диагностики свинцово-кислотных стационарных аккумуляторных батарей на электростанциях и подстанциях.

Разработанный комплекс освоен и выпускается заводом «ОЗАП Мосэнерго» с 1999 года. Разработанные рекомендации и диагностический комплекс используются на подстанциях и станциях ОАО «Мосэнерго» для проверки настройки автоматических выключателей и правильности выбора плавких вставок предохранителей.

Апробация работы и публикации. Работа была апробирована на XIV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (ИДУ ЕЭС России, 18-20 апреля, г. Москва, 2000 г.) и XXII научно-техническом семинаре РАН «Кибернетика электросистем» по тематике «Диагностика энергооборудования» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 25 - 27 сентября, 2000 г.). По работе имеются две публикации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и четырех приложений.

Выводы

• Наиболее эффективным способом диагностики аккумуляторов в электроустановках постоянного тока является контроль его состояния по омической составляющей внутреннего сопротивления, так как этот способ позволяет оценить как емкость, так и вольтамперные характеристики батареи.

• Предложены критерии оценки технического состояния аккумуляторов исходя из функционирования электроустановки оперативного постоянного тока.

• Разработан программно-технический комплекс для диагностики электроустановок оперативного постоянного тока со стационарными аккумуляторных батарей, позволяющий одновременно вести диагностику до 128 элементов батареи емкостью от 36 до 1440 А-ч.

• Разработаны рекомендации по применению программно-технического комплекса при проведении диагностики электроустановок оперативного постоянного тока с аккумуляторными батареями.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. На основе обобщения математических моделей электрохимических процессов в свинцово-кислотных источниках тока разработана приближенная математическая модель свинцово-кислотного стационарного аккумулятора, учитывающая влияние температуры окружающей среды и степени разряженности на вольтамперные характеристики для выбора и настройки защитных аппаратов.

2. На основе разработанной модели получены параметры линеаризованных вольтамперных характеристик свинцово-кислотных стационарных аккумуляторных батарей отечественного и зарубежного производства для расчета тока короткого замыкания в электроустановках оперативного постоянного тока и для оценки их технического состояния.

3. Разработаны рекомендации по учету изменения параметров аккумуляторных батарей при расчете минимального значения тока короткого замыкания для проверки чувствительности защитных аппаратов электроустановок оперативного постоянного тока.

4. Разработан и внедрен в ОАО «Мосэнерго» программно-технический комплекс, позволяющий проводить диагностику свинцово-кислотных стационарных аккумуляторов электроустановок оперативного постоянного тока.

5. Разработана методика применения программно-технического комплекса для диагностики аккумуляторных батарей электростанций и подстанций.

1. Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. для вузов / А. А. Васильев, И. П. Крючков, Е. Ф. Наяшкова и др.; Под ред. А. А. Васильева. 2-е изд., перераб и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 576 с.

2. Гук Ю. Б., Кантан В. В., Петрова С. С. Проектирование электрической части станций и подстанций: Учеб. пособие. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.-312 с.

3. Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. - 360 с.

4. Беляев Б. В. Разряды химических источников тока при постоянной силе тока // Электротехника. 1968. № 3. С. 35 38.

5. Беляев Б. В. Работоспособность химических источников тока. М.: Связь, 1979.-112 с.

6. Sathyanarayana S., Gopikanth М. L. Impedance parameters and the state-of-charge. П. Lead-acid battery // J. Appl. Electrochem. 1979. V. 9. № 2. P. 369 -379.

7. Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1978. - 264 с.

8. Дасоян М. А., Агуф И. А. Современная теория свинцового аккумулятора. Л.: Энергия, 1975.-312 с.

9. ГОСТ 15596-82 «Источники тока химические». Термины и определения. Введ. 01.07.82. -М.: Издательство стандартов, 1988.

10. Селицкий И. А., Янченко В. С. Влияние плотности тока и условий диффузии серной кислоты на емкость пластин свинцового аккумулятора // Электротехника. 1965. № 8. С. 41 -43.

11. И.Устинов П. И. Стационарные аккумуляторные установки. М.: Энергия, 1970.-312 с.

12. Окатов А. П. Химические источники тока. М.: Госхимиздат, 1948. - 344 с.

13. Морозов Г. Г., Гантман С. А. Химические источники тока для питания средств связи. М.: Воениздат, 1949. - 399 с.

14. Варыпаев В. Н. и др. Химические источники тока: Учеб. пособие для хим,-технол. спец. вузов / В. Н. Варыпаев, М. А. Дасоян, В. А. Никольский и др.; Под ред. В. Н. Варыпаева. М.: Высш. шк., 1990. - 240 с.

15. Атаманенко С. А., Швалев Е. Б. Диагностика и способы продления срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Д.: О-во Знание РСФСР, ЛО, ЛДНТП, 1990. - 16 с.

16. Методические указания по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электростанций и подстанций. МУ 34-70-035-83. М: СПО СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1983.

17. Дополнение к методическим указаниям по расчету защит в системе постоянного тока тепловых электростанций и подстанций. МУ 34-70-035-83. -М: СПО СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1987.

18. ГОСТ 29176-91 «Короткие замыкания в электроустановках». Методика расчета в электроустановках постоянного тока. Введ. 01.07.92. - М.: Издательство стандартов, 1992. -47 с.

19. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб. и доп. -М. : Энергоатомиздат, 1986. - 648 с.

20. Шиша М. А. Учет влияния электрической дуги на ток КЗ в сетях напряжением до 1 кВ переменного и постоянного тока // Электрические станции. 1996. № 11. С. 49-55.

21. Жуков В. В. Расчет токов коротких замыканий в электроустановках, питаемых от аккумуляторных батарей // Электрические станции. 1996. № 9. С. 29-35.

22. Голубев М. JI. Защита вторичных цепей от коротких замыканий. М.: Энергоиздат, 1982. - 80 с. - (Б-ка электромонтера; вып. 548).

23. Диагностика электроустановок оперативного постоянного тока на подстанциях ОАО «Мосэнерго» / В. В. Балашов, Ю. П. Гусев, А. М. Поляков, В. А. Фещенко // Электрические станции. 2000. № 8. С. 39 46.

24. Повышение надежности систем оперативного постоянного тока электростанций и подстанций средствами управления: Сб. науч. статей/ Под ред. А. С. Засыпкина; Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996.-68 с.

25. Вайлов А. М., Эйгель Ф. И. Контроль состояния аккумуляторов. М.: Энергоатомиздат, 1992. -288 с.

26. Hiram Gu and Т. V. Nguyen. A mathematical model of lead-acid cell. // USA Electrochemical Society. 1987. V. 134. №12. P. 2953-2960.

27. Давыдов H. И. // Труды Среднеазиатского политехнического института. 1957.-Вып. 5.

28. Кошелкин В. Н., Ксенжек О. С. Разрядное напряжение аккумулятора // Электротехника. 1973. № 8. С. 57-58.

29. Саакян С. А. Аналитическое представление разрядных характеристик кислотных источников тока при постоянной силе разрядного тока // Изв. АН Арм. ССР. Сер. техн. н. 1987. 40. № 4. С. 44 47.

30. Жирнова Н. Б. Математическая модель аккумуляторной батареи для проектирования автономных систем электропитания // Сб. научн. Тр. МЭИ. 1989. №222. С. 31-39.

31. Жирнова Н. Б., Токарев А. Б. Энергетические статистические математические модели химических источников тока // Электротехника. 1990. №6. С. 75-78.

32. Гаев А. В. Афанасьев В. И. Аналитическое представление зарядно-разрядных характеристик аккумулятора // Электротехническая промышленность Химические и Физические источники тока. 1984. № 5. С. 4 -5.

33. Compagnone N. F. A new equation for the limiting capacity of the lead/acid cell // J. Power Sources. 1991. V. 35. № 2. P. 97 111.

34. Kaushik R., Mawston I. G. Discharge characterization of lead/acid batteries // J. Power Sources. 1989. V. 28. № 1 2. P. 161 - 169.

35. Некрасов В. И., Гаврилов Г. Н. Некоторые особенности импульсного разряда аккумуляторной батареи // Электричество. 1968. № 12. С. 82 83.

36. Shepherd С. М. Design of primary and secondary cells. II. An equation desoribing battery discharge // J. of Electrochemical Society. 1965. V 112. №7. P. 657 664.

37. Гринберг Л. С. Определение емкости аккумуляторов по начальным точкам разрядной кривой // Сб. работ по хим. ист. тока. вып. 1. М. Л.: «Энергия». 1966. С. 222-226.

38. Даниэль-Бек В. С. К вопросу о поляризации пористых электродов. 1. О распределении тока и потенциала внутри электрода // Физ. Хим. 1948. т. 22. №6. С. 693-710.

39. Dimpault-Darcy Е. С., Nguyen Т. V. and White R. Е. A two-dimensional mathematical model of porous lead-dioxide electrode in a lead-acid cell // USA Electrochemical Society. 1988. V. 135. №2. P. 278-285.

40. Dawn M. Bernardi and Hiram Gu. Two-dimensional mathematical model of lead-acid cell //USAElectrochemical Society. 1993. V. 140. №8.

41. W. B. Gu and C. Y. Wang. Numerical modeling of coupled electrochemical and transport processes in lead-acid batteries // USA Electrochemical Society. 1997. V. 144. №6.

42. Ekdunge P., Simonsson D. The discharge behavior of the porous lead electrode in the lead-acid battery. Mathematical model // J. Appl. Electrochem. 1989. V. 19. № 2. P. 136-141.

43. Семененко M. Г., Семененко В. И. Исследование упрощенной двумерной модели разряда положительного электрода свинцово-кислотного аккумулятора//Электрохимия. 1996. т. 32. № 5. С. 581 591.

44. Ю. Я. Герасименко, О. Н. Любиев. Математическое моделирование поля концентрации электролита в свинцово-кислотном аккумуляторе с учетом явления миграции // Труды Новочеркасского политехнического института. 1976. С. 20-28.

45. Ю. Я. Герасименко, О. Н. Любиев. Использование математической модели свинцового аккумулятора для расчета некоторых электрических характеристик // Труды Новочеркасского политехнического института. 1976. С. 28-38.

46. Петрухин А. Н. Исследование химических источников импульсных токов: Автореферат дис. канд. техн .наук / МЭИ. М., 1966. - 117 с.

47. Любиев О. Н. Аналитическое описание аккумулятора как элемента электрической цепи // Известия высших учебных заведений (электромеханика). 1971. № 11. С. 1190-1196.

48. Математическое моделирование свинцово-кислотных аккумуляторов / Ю. Я. Герасименко, Ф. И. Кукоз, О. Н. Любиев и др. // Известия высших учебных заведений (электромеханика). 1975. № 3. С. 250 -258.

49. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. - 502 с.

50. Любиев О. Н. Исследование свинцового аккумулятора как элемента электрической цепи: Дис. канд. техн. наук / М-во высш. и сред. спец. образования СССР, НПИ. Новочеркасск, 1972

51. Адам Абдала Адам Эль-Зеин. Исследование коротких замыканий в цепи аккумуляторных батарей с учетом дуговых процессов: Дис. канд. техн. наук: 05.14.02/МЭИ (ТУ).-М., 1999.-121 с.

52. Дасоян М. А. Химические источники тока. JL: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1969.-587 с.

53. ГОСТ 26881-86. Аккумуляторы свинцовые стационарные. Общие технические условия. -Введ. 01.01.88. -М.: Издательство стандартов, 1986

54. Рыбалка К. В., Бекетаева Л. А., Протасова Е. Л. Применение метода операторного импеданса для оценки степени заряда химических источников тока. Свинцовый аккумулятор // Электрохимия. 1996. т. 32. №6. С. 689 693.

55. Федоров А. Б. Метод расчета мощности источника питания // Электротехническая промышленность. Сер. Химические и физические источники тока. 1974. Вып. 5 (32). С. 8 9.

56. Янченко В. С., Селицкий И. А. Влияние разветвленности токопровода решетки на работу пластин свинцового аккумулятора // Электротехника. 1964. №5. С. 42-44.

57. Дасоян М. А., Агуф И. А. Основы расчета, конструирования и технологии производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергия 1978. - 152 с.

58. ГОСТ 825-73. Аккумуляторы свинцовые стационарные с электродами большой поверхности. Технические условия. Взамен ГОСТ 825-61; Введ. 01.01.75. - М.: Издательство стандартов, 1980.

59. Система повышения надежности и живучести ЕЭС России / А. Ф. Дьяков, В. В. Жуков, В. Б. Козлов, И. П. Крючков, Ю. П. Кузнецов, Ю. Н. Львов, Б. Н. Неклепаев, В. А. Семенов; Под ред. А. Ф. Дьякова. М.: Издательство МЭИ, 1996.- 112 с.

60. Новаковкий А. М., Леви М. Н. О расчете химических источников тока // Сб. работ по хим. ист. тока. Л.: Энергия, 1967. Вып. 2. С. 199 - 208.

61. Кромптон Т. вторичные источники тока / Пер. с англ. А. Г. Колесника, Р. П. Соболева; Под ред. Ю. А. Мазитова. -М.: Мир, 1985. 301 с.

62. Болотовский В. И., Вайсгант 3. И. Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. -208 с.