автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов оценки влияния нелинейных электроприемников на режимы работы оборудования распределительных сетей

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ НА РЕЖИМЫ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005553951

Москва-2014

005553951

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский

университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Тульский Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» Воротницкий Валерий Эдуардович

кандидат технических наук, старш.научн.сотрудник

исполнительный директор AHO «ЭлектроСертификация» Суднова Валентина Викторовна

Ведущая организация:

ОАО «Московская объединенная электросетевая компания»

Защита состоится « 24 » октября 2014 года в 13 час. 30 мин. в ,»УД-Г-200на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан » ¿2 г.

Председатель

диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние годы возросла нагрузка жилых и административных зданий. С ростом нагрузки изменился и ее характер. Возросла доля таких электроприемников как компьютеры, телевизоры, СВЧ -печи, все активнее заменяются обычные лампы накаливания энергосберегающими, и внедряется частотно регулируемый электропривод. Совершенствование электроприемников направленно на повышение коэффициента полезного действия, оптимизацию режима работы и снижение энергопотребления. Большинство перечисленных электроприемников потребляют ток несинусоидальной формы. Несмотря на относительно небольшую мощность каждого отдельного электроприемника, их массовое применение приводит к существенному искажению синусоидальности кривых напряжения и тока в распределительных электрических сетях.

Несинусоидальность напряжений и токов оказывает влияние на работу электрооборудования, сокращая срок его службы, приводит к увеличению потерь напряжения и мощности в сети, уменьшению ее пропускной способности. Это создает условия для возникновения дополнительного риска отказа оборудования и роста электротехнического и технологического ущерба.

На сегодняшний день нормативно-правовая документация в области качества электрической энергии регламентирует уровни искажений только по напряжению, но не по току. Отсутствуют также методики оценки воздействия несинусоидальности тока на работу электротехнического оборудования.

В связи с этим, представляется необходимым разработать методы оценки влияния высших гармоник тока, создаваемых работой нелинейных электроприемников жилых и общественных зданий на оборудование распределительной электрической сети.

Цель и задачи работы

Основной целью работы является разработка методов оценки влияния нелинейных непромышленных электроприемников потребителей на режимы работы оборудования распределительных сетей.

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

1. Определен спектр высших гармоник тока по результатам измерений в распределительной сети для следующих характерных типов непромышленных потребителей: торговый центр, административное здание и жилое здание.

2. Разработаны математические модели тепловых процессов, позволяющие учитывать влияние высших гармоник тока на пропускную способность кабельных линий и силовых масляных трансформаторов распределительной сети.

3. Разработаны способы оценки влияния высших гармоник тока на режимы работы оборудования распределительной сети.

4. Определены поправочные коэффициенты, учитывающие влияние высших гармоник тока на снижение пропускной способности кабельных линий и силовых трансформаторов различными методами, в том числе на основе

математического моделирования тепловых процессов в оборудовании, на примерах измеренных спектров гармоник тока присоединений.

5. Проведена оценка экономического ущерба электросетевой компании, вызванного работой современных электроприемников потребителей.

Объект исследования - кабельные линии и силовые масляные трансформаторы распределительной электрической сети напряжением 0,3820кВ.

Предмет исследования - разработка методов оценки влияния высших гармоник тока, создаваемых работой нелинейных электроприемников потребителей на режимы работы оборудования распределительных сетей.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: методы математического описания оборудования распределительных сетей, метод математического моделирования тепловых процессов, метод конечных элементов для решения дифференциальных уравнений второго порядка.

Достоверность полученных результатов в диссертационной работе подтверждается применением научно-обоснованных методов, корректным использованием математического аппарата, проверочными тестами математических моделей, сопоставлением результатов, полученных с помощью различных методов, и расчетами на конкретных примерах и измерений.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие научные результаты:

1. Определены численные значения п-х гармонических составляющих спектра токов присоединений нелинейных непромышленных электроприемников и потребителей селитебных территорий.

2. Разработаны математические модели тепловых процессов в силовых кабелях и трансформаторах, позволяющие на основании известной мощности тепловыделений в каждом из элементов оборудования рассчитывать температурные поля методом конечных элементов и, таким образом, оценивать эффект от действия высших гармоник тока.

3. Разработаны методы оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность кабелей и трансформаторов в распределительной электрической сети, позволяющие определить поправочный коэффициент снижения длительно допустимого тока и температуру изоляции при протекании через оборудование несинусоидального тока.

4. Получены численные значения поправочных коэффициентов к длительно допустимым токам для измеренных спектров гармоник тока присоединений, позволяющие учитывать влияние несинусоидальности потребляемого тока при выборе сечения жил кабеля и мощности силовых трансформаторов на этапе проектирования и контроле длительно допустимых токов оборудования на этапе эксплуатации.

5. Разработаны способы оценки экономического ущерба от действия токов высших гармоник на оборудование электрической сети, позволяющие

численно оценить размер возможного ущерба при известном спектре гармоник тока и графике нагрузки.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанные в диссертации теоретические положения, методы, математические модели позволяют рассчитать поправочные коэффициенты к длительно допустимым токам для учета влияния высших гармоник в спектре тока на оборудование сети при любом типе нелинейной нагрузки. Полученные в работе значения поправочных коэффициентов могут быть использованы в качестве рекомендаций при проектировании новых и эксплуатации существующих распределительных сетей, питающих селитебные территории. Метод по определению экономического ущерба от высших гармоник тока позволит дать оценку целесообразности применения мероприятий по компенсации высших гармоник тока в распределительных электрических сетях.

Реализации и внедрение результатов работы:

- разработано методическое указание по оценке влияния высших гармоник тока на оборудование распределительной сети;

- разработаны алгоритмы определения поправочных коэффициентов к длительно допустимому току оборудования, учитывающих влияние высших гармоник тока, создаваемых нелинейными электроприемниками и потребителями.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих общероссийских и международных мероприятиях:

1. Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, Электротехника и Энергетика», МЭИ, 2010г.

2. Пятая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и практика». (Москва, 18-22 октября 2010г.)

3. Федоровские чтения - 2010. ХЬ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-18 ноября 2010г.)

4. Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, Электротехника и Энергетика», МЭИ, 2012г

5. Шестая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и практика». Москва, 2012г.

6. Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем - ЭНЕРГО-2012» (Москва, 4-6 июня 2012 г.)

7. XIX заседание ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО» (г. Ханты-Мансийск, 6-8 февраля 2013 г.)

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические модели тепловых процессов в силовых кабелях и трансформаторах, составленные в программном комплексе Е1с1й и позволяющие рассчитывать температурные поля методом конечных элементов.

2. Методы оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность силовых кабелей и трансформаторов в распределительной сети.

3. Тепловые схемы замещения кабельных линий, позволяющие рассчитывать температуру изоляции жилы при протекании несинусоидального тока.

4. Результаты расчетов поправочных коэффициентов к длительно допустимым токам для измеренных спектров гармоник тока присоединений, учитывающие влияние высших гармоник тока на режимы работы оборудования при проектировании и эксплуатации электрической сети.

5. Способы оценки экономического ущерба от действия токов высших гармоник на оборудование распределительной сети.

Публикации. Основные результаты и положения, полученные в диссертации, изложены в 15 (пятнадцати) публикациях, 6 (шесть) из которых опубликованы в журнале из списка ВАК.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений и списка литературы из 69 наименований. Основной текст изложен на 163 страницах, включая 26 рисунков и 36 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель и основные задачи, характеризуется научная новизна и практическая значимость полученных результатов диссертационной работы.

В первой главе приведены сведения о спектрах высших гармоник тока некоторых электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой и потребителей селитебных территорий, содержащих их в большом количестве. Представлены результаты испытаний на эмиссию токов высших гармоник, проведенных на лабораторных стендах, которые показали, что электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой по отдельности и в совокупности могут создавать значительные искажения в питающем токе. Для потребителей селитебных территорий с современными электроприемниками уровень тока по отдельным гармоникам может превышать 30% от тока основной частоты. Высшие гармоники питающего фазного тока таких потребителей характеризуются широким спектром, с присутствием в нем гармоник нулевой последовательности, что является причиной протекания больших по значению токов в нулевом проводнике, среднеквадратичное значение которого достигает 73% от тока в фазе. При этом для отдельных электроприемников требования стандарта1 на эмиссию высших гармоник не нарушаются. Таким образом, стандарт не может обеспечивать такие уровни

1 Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний ГОСТ Р 51317.3.2-2006

высших гармоник тока, которые не оказывали бы влияния на электрическую сеть.

Проведенные измерения на присоединениях потребителей электроэнергии с нелинейными электроприемниками свидетельствуют о наличие значительного содержания высших гармоник тока в фазных и нулевом проводниках. В настоящее время отсутствуют опубликованные результаты исследований по сбору и обработке статистической информации о спектрах высших гармоник тока в сетях, питающих нелинейные электроприемники, поэтому определение расчетных значений уровней возможных помех является невозможным, в связи с отсутствием статистических сведений. Проведенные автором измерения, результаты которых представлены в таблице 1, не являются полномасштабными для формирования общей статистики по рассматриваемым типам потребителей, так как производились непрерывно не более месяца и на нескольких объектах. Однако, полученные данные позволяют дать количественную оценку возможного масштаба влияния высших гармоник тока на оборудование распределительной сети.

Таблица 1- Спектр гармоник тока для разных типов потребителей

Номер гармоники Торговый центр /,„,,% Административное здание1м,% Жилое здание Л*>,%

1 100,0 100,0 100,0

3 31,2 29,3 10,3

5 18,5 13,9 6,3

7 12,7 10,2 4,8

9 8,6 15,2 5,5

11 5,4 9,5 4,6

13 3,2 8,2 3,2

15 2,7 3,9 1,9

17 1,7 4,6 -

19 1,1 2,2 -

21 0,7 1,4 -

Большинство кабельных линий сетей низкого напряжения, спроектированы 20 лет назад и более и имеют сечение нулевого проводника меньше сечения фазного, что и приводит к его перегрузке. Защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников трехфазной сети не предусмотрена и запрещена Правилами устройства электроустановок. «Старые» системы электроснабжения проектировались только под линейную симметричную нагрузку, когда ток в нулевом проводе не мог превосходить ток в наиболее загруженной фазе, т.е. защита на фазных проводниках одновременно защищала от перегрева и нулевой рабочий проводник. Перегрузка нулевого жилы кабеля токами высших гармонических составляющих приводит к дополнительному повышению температуры выше установленной заводом-изготовителем, что ускоряет старение изоляции кабеля, а следовательно, уменьшает срок его службы.

Вторая глава посвящена разработке методов расчета снижения пропускной способности кабелей распределительных сетей при питании нелинейных электроприемников.

Известно, что при протекании несинусоидального тока в фазных жилах кабеля выделяется тепло, обусловленное потерями активной мощности от токов основной частоты и высших гармоник

40

Р1^=/12-Л1+£/„2-Л„, (2.1)

/1=2

где /, и 1п - токи основной частоты и высшей гармоники, Л, и Д„ - активное сопротивление на основной частоте и высших гармониках тока.

При этом в нулевом проводнике при питании нелинейной симметричной нагрузки протекают токи высших гармоник, кратных трем, вызывающие дополнительные потери мощности

РГ= 3- I II К, (2.2)

л=3,9,15...

Активное сопротивление жил токам на /7-ой гармонике в формулах (2.1) и (2.2) учитывается по формуле

^ = ^.•(0,187 + 0,532-^), (2.3)

где Ижа — сопротивление жилы токам на основной частоте, п - номер гармоники.

Выделившееся тепло передается от нагретых жил с помощью явления теплопроводности окружающему пространству. Установившийся тепловой режим кабеля описывается дифференциальным уравнением второго порядка теплового баланса:

а-Ч2Т = 0, (2.4)

где а - температуропроводность тела и V- оператор Лапласа.

Для решения дифференциальных уравнений теплового режима и получения картины распределения температурного поля в работе применялся программный комплекс ЕкШ, использующий для решения дифференциальных уравнений метод конечных элементов.

В работе собрана статистическая информация о наиболее распространенных типах кабеля в одном из районов московских кабельных сетей, на основании которой были выявлены наиболее часто использующиеся в эксплуатации марки кабелей. Описана их конструкция и составлены математические модели тепловых процессов в кабелях различных исполнений (трехжильные, четырехжильные) сечением (от 25 до 240 мм2) и типов изоляции (бумажно-масляная и сшитый полиэтилен). Достоверность составленных математических моделей проверена следующим тестом: при протекании по трем жилам кабеля длительно допустимого тока температура наиболее нагретой точки должна быть близкой или равной длительно-допустимой температуре для данного типа изоляции. Так для бумажно-масляной изоляции эта температура составляет 80°С.

С целью учета влияния высших гармоник тока на пропускную способность кабелей в работе предложен аналитический метод расчета поправочных коэффициентов к длительно-допустимому току. Сущность способа заключается в приведении суммарных потерь активной мощности в нулевой и фазных жилах, описывающиеся формулами (2.1) и (2.2), к следующему виду

Р^З-/,1 (2.5)

Из формулы (2.5) видно, что она отличается от формулы расчета потерь в кабеле на основной частоте при протекании тока только по фазным жилам на величину Ктп , коэффициент дополнительных потерь активной мощности из-за токов высших гармоник. По величине данный коэффициент больше единицы, что означает превышение потерь при протекании несинусоидального тока относительно тока основной частоты и рассчитывается по следующей формуле

40 пнул 40 .

I (*,.) ч. (2-6)

„-1 Л,

п=64-3 >1=3,9,15 ..

где К, - коэффициент п-ой гармонической составляющей тока, Л,"3"1 - активное сопротивление нулевой жилы на основной частоте, п - номер гармоники, А„ =0,187 + 0,532-Тл .

Далее вводится понятие эквивалентного тока (/3„ ). Это ток основной частоты, при протекании которого по трем жилам кабеля выделяется такое же количество теплоты, как и при протекании несинусоидального тока по кабелю с нулевой жилой. Численно его можно определить как

По своей энергетической сути, введение понятия эквивалентного тока является переход от четырех источников тепла (три жилы и ноль) к 3-м источникам (три жилы), причем принимается, что вся мощность выделяющего тепла от несинусоидального тока заменяется равным по значению потерями активной мощности, созданных током основной частоты, так как с энергетической точки зрения не важно какой ток греет проводник: синусоидальный частотой 50 Гц или несинусоидальный. Приведение четырех источников тепла к трем вносит погрешность, обусловленную тем, что между нулевой жилой и фазными жилами есть изоляция, обладающая тепловым сопротивлением. Однако, использование более точного метода (метода перебора значений токов) показало, что данная погрешность составляет менее 5%.

В результате искомый поправочный коэффициент к длительно-допустимому току определяется как

(2.8)

\ доп

Данный коэффициент предназначен для использования при выборе сечения силового кабеля, в качестве корректирующего табличное значение длительного допустимого тока для предотвращения перегрева изоляции кабеля

высшими гармониками. По применимости он схож с поправочными коэффициентами к длительно допустимому току, учитывающими количество параллельно проложенных кабелей в одной траншее, фактическую температуру окружающей среды и т.д.

По формуле (2.8) можно определить ток основной частоты. Действующее значение несинусоидального тока превосходит значение тока основной частоты и именно это значение указывается в справочных данных. Для него вводится поправочный коэффициент (^ ), значение которого рассчитывается по формуле

гтаб

(2.9)

д

где /™д0П - табличное значение длительного допустимого тока, 1Д - действующее значение фактического несинусоидального тока.

Реализация метода в виде алгоритма представлена на рисунке 1.

На основании полученных с помощью аналитического метода результатов расчета поправочных коэффициентов (К,1е„) в отношении спектров гармоник, приведенных в таблице 1, сделаны следующие выводы:

• Значение поправочного коэффициента к длительно допустимому току для четырехжильных кабелей с нулевой жилой меньшего сечения меньше, чем для кабелей такого же сечения, у которых все жилы имеют равное сечение. Чем шире спектр гармоник, генерируемых нелинейными электроприемниками, и чем больше значения гармоник тока по величине (особенно гармоник кратных трем), тем больше разница для кабелей вышеуказанного типа при одинаковых сечениях фазных жил.

• Значения поправочного коэффициента для различных марок кабелей, проложенных при одинаковых условиях, одинаково вне зависимости от типа изоляции кабеля.

• Для четырехжильных кабелей с сечением нулевой жилы, меньше чем фазной, в зависимости от типа нелинейной нагрузки рассчитанные результаты можно осреднить в независимости от сечения фазной жилы кабеля. Так, для нагрузки торговый центр осредненный поправочный коэффициент можно принять равным 0,777, для административного здания - 0,764, а для жилого здания - 0,958.

• Для четырехжильного кабеля с одинаковыми фазными жилами можно также получить осредненное значение коэффициента к длительно

Рисунок I - Алгоритм расчета поправочных коэффициентов к длительно допустимым токам кабелей

допустимому току. Он будет равен для торгового центра и административного здания - 0,885, для жилого дома - 0,977.

• Для трехжильных кабелей с нулевым проводником, выполненным по оболочке, значение поправочного коэффициента к длительно допустимому току для типа нагрузки «Торговый центр» равен 0,695.

Использование аналитического метода позволяет определить поправочный коэффициент к длительно-допустимому току, но не температуру наиболее нагретой точки изоляции. Однако, в задачах расчета снижения срока службы изоляции из-за теплового старения, вызванного действием высших гармоник тока, значение температуры изоляции определяет степень снижения ресурса кабеля. Существующие тепловые схемы замещения не могут быть использованы для расчетов, так как не учитывают токи, протекающие по нулевому проводнику.

В работе предлагается использовать тепловую схему замещения кабеля (рисунок 2), где в качестве источников тепла выступают потери активной мощности пропорциональные квадрату среднеквадратического значения эквивалентного тока, при этом формулы для расчета тепловых сопротивлений не претерпевают изменений.

Температура изоляции жилы для четырехжильного кабеля определяется по формуле (2.10), для трехжильного кабеля с нулевым проводником, выполненным по оболочке - по (2.11)

тж = Рж-5|+З.Рж(52 + 5з + 54) + гокрср (2.10)

гж = Р» • + 3 ■ (Рж + ,РН) • + + ) + гокр,р (2.11)

где Рж - потери активной мощности при протекании эквивалентного тока по фазным жилам, Рж - потери активной мощности, при протекании реального тока по фазным жилам, Рн - потери активной мощности в нулевой жиле кабеля, 4 - тепловые сопротивления, г0„рср - температура окружающей среды, К.

1р" «5,

Ьп

з, Т.

тсН ь 2 —О

ь

Рисунок 1- Тепловая схема четырехжильного кабеля

Полученное с помощью тепловой схемы замещения значения температуры изоляции жилы отличается от значений, рассчитанных с помощью математических моделей в программном комплексе Е1сШ. Следует отметить, что среди всех тепловых сопротивлений наибольшее по величине является тепловое сопротивление земли, именно оно в значительной степени определяет нагрев кабеля. В связи с тем, что теплопроводность земли зависит от типа

почвы и количества содержащейся в ней влаги данное значение может изменяться в широком диапазоне от 1,05 до 0,75 от номинального значения, установленного в стандарте2, равного 1,2 К-м/Вт. Поэтому погрешность расхождений в результатах в 1,9 % является приемлемой для практических инженерных расчетов.

Третья глава посвящена вопросу разработке метода оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность трансформаторов 6-20/0,4кВ при питании нелинейной нагрузки.

Снижение пропускной способности трансформатора из-за несинусоидальных токов определяется увеличением дополнительных потерь от токов высших гармоник.

Все потери в трансформаторе можно разделить на условно-постоянные, возникающие из-за перемагничивания стали сердечника, и условно-переменные (нагрузочные потери). Условно-постоянные потери практически не изменяются при протекании высших гармоник тока, в отличие от нагрузочных, которые в свою очередь разделяются условно на основные потери в обмотках, на потери в обмотках от вихревых и циркулирующих токов, потери в стенках бака и потери в других частях. Каждая из этих составляющих зависит от квадрата действующего значения протекающего тока и номера гармоники в степени. Для добавочных потерь от вихревых и циркулирующих токов в обмотках трансформатора эта степень равна 2, для добавочных потери от вихревых токов в баке и других конструктивных частях трансформатора - 0,8 и 1,05 соответственно. Увеличение каждой из составляющих добавочных потерь активной мощности при наличии высших гармоник характеризует коэффициент увеличения потерь относительно номинального режима работы трансформатора на основной частоте

Р1—1 V Л.™. У 'К „„и Л=1 ^ Л.™.

V" - обм Лоб и

Р

обм, НОМ "=1

р "Л"

др. ном л=1

(3.1)

где > ^,„„м . -Рлмюм - потери в обмотке, в баке и в других частях

трансформатора от вихревых токов при номинальных условиях; /1|ом -среднеквадратичное значение тока при номинальной частоте и номинальных нагрузочных условиях.

Эквивалентная нагрузочная способность трансформатора при протекании несинусоидального тока в работе определялась из предположения о равенстве нагрузочных потерь активной мощности в номинальном режиме и при наличии высших гармоник

Ашм ' К + Р^ пом + ¿6, ПОМ + -^р, ном ~~ I "Я + /Гобм ■ 110М + Р6 1|ом + К • Р ном (3.2)

2 Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 2-1 Тепловое сопротивление. Расчет теплового сопротивления. ГОСТ Р МЭК 60287-2-1-2009

Из тождества (3.2) после серии преобразований и приведения каждой из составляющей потерь к базисному значению, равному основным потерям, получим формулу для расчета коэффициента снижения действующего значения номинального тока трансформатора

1 + *-

обм, ном о, i

+ к„-Р

(3.3)

Реализация разработанного метода в виде алгоритма представлена на рисунке 3.

Начало

D

Ввод исходных данных: ицм* ^ Р.*?*. схема соед.обмоток; К* К.

Ч '

Расчет основных потер* ант йеной мощности и • баке (Р^. и Р4)

ввод параметров конструкции: материал« размерь!, количество проводников обмоток; высота н радиусы обмоток; размеры канала между обмотками

Panel коэффициента Роговского

__и:

Расчет потерь активной мощности еихревьиициркуяирукмция обмотках (Р,«*)

Расчет потерь активной мощности а обмотках и других конструкционных мастях тр-ра Cea, и Рд)

Расчет потерь в других ^ [ конструкционных частях тр-ра íf„) " |_

Определение коэффициента* увеличения потерь активной мощности из-та действия токов высших гармоник

Определение коэф допустимого тоансфо гициента снижения ома обмоток рм агор а

г

Определение превышения температуры различных точек трансформатора с учетом высших гармоник тока

Вывод данным: 7

Рисунок 3 - Алгоритм расчета поправочных коэффициентов к допустимому току трансформатора.

Алгоритм позволяет на основании паспортных данных трансформатора, сведений о спектре высших гармоник тока и загрузке трансформатора по току относительно номинального значения определить поправочный коэффициент к номинальному току, учитывающий влияние высших гармоник тока, создаваемых нелинейными электроприемниками, и превышение температуры в верхних слоях масла и обмотки относительно температуры окружающей среды по следующим формулам

~~ ^в б-í. 1ЮМ

0.,

К ' (Кобн • PoStt ном ' ком ^др ' Ру, ном ) Ра

р +р

>шгр, НОМ XX

\0,8

к

Р + К • Р

'осн обм обм,иом

р +р

осн, ном обм, ком J

\ 0,8

(3.4)

(3.5)

где 01б> иоы - значение превышения температуры в верхней части бака над температурой окружающего воздуха при номинальных условиях, 0обм.м „ом -

значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхней части бака, К - коэффициент загрузки трансформатора по току относительно номинального значения

Алгоритм имеет ветвление, позволяющее более точно рассчитать значение поправочного коэффициента, при наличии информации о геометрических размерах элементов трансформатора.

При использовании расчетного метода в отношении спектра нагрузки «Торговый центр» (таблица 1) были получены следующие результаты. Коэффициент снижения

действующего значения тока равен 0,975 (для ветви алгоритма не требующей информации о

геометрических размерах - 0,967), при этом ток основной частоты, должен быть снижен почти на 10%.

С целью проверки полученных значений было проведено

математическое моделирование в программном комплексе Е1сШ тепловых процессов в масляном трансформаторе в различных режимах (рисунок 4), которые подтвердили достоверность результатов расчета поправочных коэффициентов и значений превышения температур (таблица 2).

Таблица 2 - Значения превышений температуры в °С для элементов трансформатора в ___различных режимах его работы

Превышение температуры в точках трансформатора Допустимое превышение Режим загрузки трансформатора

Номинальный С учетом снижения нагрузки из-за влияния токов высших гармоник Без учета снижения нагрузки из-за влияния токов высших гармоник

Наиболее нагретая точка обмотки 78 75,3 74,5 78,3/75,0

Среднее превышение температуры обмотки 65 63,8 62,9 66.4

Наиболее нагретая точка магнитопровода 75 73,0 72,9 73,4

Среднее превышение температуры в верхних слоях масла 55 47,5 47,6 48,0/49,2

Примечание: через дробь курсивом обозначены расчетные значения, полученные с помощью формул (3.4) и (3.5).

Рисунок 4 - Картина температурного поля трансформатора при учете влияния высших гармоник тока

Четвертая глава посвящена методам оценки экономических ущербов от действия токов высших гармоник.

Электромагнитная составляющая экономического ущерба, вызванная влиянием несинусоидального тока на оборудование распределительной сети, состоит из трех слагаемых: ущерб, обусловленный дополнительными потерями активной мощности в оборудовании (У1); ущерб, обусловленный снижением эффективности использования передающих элементов электрической сети и связанный с недоиспользованием оборудования (У2); ущерб из-за уменьшения срока службы оборудования (Уз).

У*ш=У1 + Уг+У* (4.1)

В различных источниках существуют разные подходы к оценке каждой из этих составляющих, причем часто в них либо не приведено никакого обоснования использования, либо приведены общие сведения по расчету составляющих, как разность затрат при эксплуатации оборудования при несинусоидальном режиме и при отсутствии высших гармоник тока.

Так ущерб от дополнительных потерь активной мощности принято описывать формулой (4.2), однако, составляющую в этой формуле, описывающую потери мощности в различных источниках предлагается рассчитывать по-разному.

У1=Зэ<ГАРгТ1, (4.2)

ы

где Зэ - стоимость возмещения 1 кВт ч потерь электроэнергии в электрической сети; Д/> - дополнительные потери активной мощности в /-м элементе; Т, -число часов использования в году ¡-го элемента; п - число элементов.

В работе предложено использовать следующие формулы для определения дополнительных потерь из-за токов высших гармоник, обосновании которых приведено в тексте диссертации и подтверждается исследованиями других авторов.

Для кабельных линий Д/> = 3 ■ ¿/„2 • Я, ■ (о,187 + 0,532 ■ >/л) (4.3)

п=г

Для силовых трансформаторов сумма трех составляющих

р .р ."У"/2.«2' Р = к2 ■ Р ."у4"/ 2 1,05.

Го6и~Лз.< Го6м, 1Ш ¿_, " ' б "з,/ 'б,пом /-Г » >

(4.4)

р = к1 Р ■ V

др 3,1 др, ном ¿^

В отношении двух других составляющих У2 и У3 в работе предложены следующие способы оценки.

Составляющая ущерба, обусловленная снижением эффективности использования передающих элементов электрической сети, определяется ограничением на технологическое подключение новых потребителей.

Данный вид ущерба наступает при достижении 95% предела пропускной способности оборудования с учетом поправочного коэффициента, определяющего влияние высших гармоник тока (рисунок 5). Если оборудование имеет запас (не менее 5%) по пропускной способности скорректированный поправочным коэффициентом от токов высших гармоник, то к этому оборудованию возможно подключить дополнительную мощность потребителей. В противном случае, оборудование сети требует замены.

Для вычисления размера ущерба, предлагается перемножить характерные параметры оборудования (километры для кабельных линий, кВА для трансформаторов) на величину стандартизированных тарифных ставок для сетевой организации, установленной региональной энергетической комиссией.

У2 = Ст • 0,89 • 5И0М + Скл • ¿кл, (4.5)

где Ст и Скл - стандартизированные тарифные ставки для трансформаторной подстанции и кабельной линии; йюм - номинальная мощность трансформатора; ¿кл-длина кабельной линии.

По своей сути данный вид ущерба соответствует затратам на прокладку новой линии (установку новой ТП) или замену кабеля на новый с большим сечением (увеличение мощности трансформатора) при снижении допустимой пропускной способности из-за высших гармоник тока. При включении загруженного объекта, достигшего максимума пропускной способности в нормальном режиме, выбор номинальной мощности трансформатора и сечения кабельной линии происходит на основании предполагаемого роста нагрузки конкретной территории. Также принимается, что размер ущерба будет равен затратам на прокладку кабельной линии такой же длины как существующая и установку трансформатора с такой же номинальной мощностью. Использование стандартизированных ставок для расчета экономического ущерба позволяет уйти от подробного описания каждого вида работ и оборудования, необходимого для выполнения мероприятий по увеличению пропускной способности, в пользу укрупненной обоснованной оценки.

Формула для расчета экономического ущерба из-за снижения срока службы основана на оценке недополученных амортизационных отчислений компанией из-за преждевременного выхода оборудования вследствие действия токов высших гармоник.

Л К,

ч5% запас макс, пропускной способности

ч

ограничение

макс, пропускной способности из-

за токов высш.гармоник

Рисунок 5 - Диаграмма

недоиспользования пропускной способности оборудования

У,

■■ЬЬ

—' Т

I М л ном,

365

гЛь-Ъ

(4.6)

где К\ - балансовая стоимость 1-го оборудования в рублях; 7"„0м,1 - номинальный установленный срок службы ¿-го оборудования в годах; Ц - снижение срока

службы изоляции оборудования ву'-й день, при котором отмечалось повышение температуры выше длительно допустимой, в «нормальных сутках».

При использовании формулы (4.6) принципы расчета относительного снижения срока службы изоляции оборудования, вызванного тепловым старением, не изменяются.

Приведенная в работе классификация ущербов от высших гармоник тока и напряжения и методика оценки размера каждой из составляющих описывает возможные ущербы, которая понесет электросетевая компания. Однако, при некоторых условиях та или иная составляющая ущерба будет отсутствовать. В работе предложен и обоснован в качестве индикатора наступления ущерба от высших гармоник использовать температуру наиболее нагретой части оборудования, что позволяет рассчитывать не все виды ущерба, а наиболее значимые.

Для каждого вида оборудования установлены предельные значения длительно допустимой и максимально допустимой температуры изоляции в наиболее нагретой точке при продолжительных перегрузках. В зависимости от реального значения температуры наиболее нагретой точки изоляции все ущербы распределяются на три группы в зависимости от их появления и

необходимости учета (таблица 3).

Таблица 3 - Классификация ущербов в зависимости от температуры наиболее нагретой

точки изоляции.

Значение температуры изоляции Т « <Т * раб — дл.доп т с т ^ т дл.доп раб — макс г > т раб макс

Режим нагрузки Перегрузка допустимая Перегрузка оборудования недопустимая, снижение срока службы Перегрузка недопустимая, выход из строя оборудования

Виды ущерба • Дополнительные потери электроэнергии в оборудовании от высших гармоник тока; • Ущерб, обусловленный недоиспользованием оборудования электрической сети; • Технологический ущерб потребителя. • Дополнительные потери электроэнергии в оборудовании от высших гармоник тока; • Ущерб, обусловленный недоиспользованием оборудования электрической сети; • Ущерб от снижения срока службы оборудования; • Технологический ущерб потребителя. • Ущерб от недоотпуска электроэнергии потребителям; • Затраты на внеплановую замену оборудования или его капитальный ремонт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании инструментальных измерений л-ых гармонических составляющих тока на присоединениях, питающих нелинейные непромышленные электроприемники и потребителей селитебных

территорий, сделан вывод, что несмотря на выполнение нормативных требований по эмиссии высших гармоник тока отдельными электроприемниками, общий уровень искажений тока потребителей может существенно повлиять на максимальную пропускную способность оборудования.

2. По результатам сбора статистической информации для наиболее часто встречающихся марок кабелей и трансформатора в программном комплексе Elcut разработаны математические модели тепловых процессов. Данные модели позволяют на основании известной мощности тепловыделений в каждом из элементов оборудования рассчитывать температурные поля методом конечных элементов. Достоверность разработанных моделей проверена тепловым балансом оборудования в номинальном режиме при отсутствии высших гармоник тока.

3. Разработаны способы оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность кабелей и трансформаторов в распределительной электрической сети, позволяющие определить поправочный коэффициент снижения длительно допустимого тока и температуру изоляции при протекании через оборудование несинусоидального тока. Их достоверность проверена результатами математического моделирования.

4. Определены численные значения поправочных коэффициентов для измеренных спектров гармоник тока присоединений, позволяющие учитывать влияние несинусоидальности потребляемого тока при выборе сечения жил кабеля и мощности силовых трансформаторов на этапе проектирования и контроле длительно допустимых токов оборудования на этапе эксплуатации.

5. Разработаны методы оценки экономического ущерба от действия токов высших гармоник на оборудование распределительной сети. Предложены формулы для расчета ущербов, обусловленных недоиспользованием оборудования электрической сети, и из-за уменьшения его срока службы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тульский, В.Н. Оценка теплового режима кабеля, питающего нелинейную нагрузку [Текст] / В.Н. Тульский, И.И. Карташев, М.Г. Снмуткнн, P.P. Насыров // Промышленная энергетика, 2012. - №7. С. 42-45.

2. Тульский, В.Н. Влияние высших гармоник тока на режимы работы кабелей распределительной сети 380 В [Текст] / В.Н. Тульский, И.И. Карташев, М.Г. Снмуткин, P.P. Насыров // Промышленная энергетика. -2013.-№5. С.39-44.

3. Карташев, И. И. Оценка работы фильтров в системе электроснабжения горно-добывающего предприятия по результатам контроля качества электроэнергии [Текст] / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Н.М.

Кузнецов, М. Г. Симуткин, P.P. Насыров // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - № 7. - С.16 - 19.

4. Тульский, В.Н. Управление качеством электроэнергии в электрических сетях [Текст] / В.Н. Тульский, И.И. Карташев, Н.М. Кузнецов, М.Г. Симуткин, Х.Б. Назиров // Горный журнал. - 2012. - J4»12. С.52-55.

5. Карташев, И.И. Исследование влияния источников высших гармоник на качество электроэнергии в электроэнергетических системах 220-500 кВ [Текст]/ И.И. Карташев, P.P. Насыров, Б.В. Олексюк, М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов // Электричество. -2013. - №1. С. 13-18.

6. Карташев, И.И. Исследование влияния короны на проводах воздушной линии электропередачи 220-750 кВ на качество электроэнергии по л-ой гармонической составляющей тока и напряжения в электрических сетях [Текст] / И.И. Карташев, P.P. Насыров, Б.В. Олексюк, М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов // Электричество. - 2013. - №6. - С. 8-13.

7. Симуткин, М.Г. Влияние современных бытовых электроприемников на качество электроэнергии в системах электроснабжения [Текст] / М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский, Г.В. Шведов // Энергосбережение. Теория и практика: сб. науч. тр. пятой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С.116-119.

8. Симуткин, М.Г. Разработка способа оценки допустимого режима работы кабельной' линии [Текст] / М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский // Федоровские чтения: сб. тезисов докладов XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-18 ноября 2010г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2010.-С.109-111.

9. Козьмина, И.С. Исследование и расчет погонных параметров воздушных линий, выполненных из проводов марок АС-95/16, СА-95, ПС-70, ПС-95, М-70, АП-640 [Текст] / И.С. Козьмина, М.Г. Симуткин, С.М. Асанов // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И.Раззакова. -2009. -№16. - С.217-219.

10.Симуткин, М.Г. Определение допустимой токовой нагрузки кабелей при питании нелинейной нагрузки [Текст] / М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский // Радиотехника, Электротехника и Энергетика: сб. тезисов докладов восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - Том 4. - С. 377-378.

П.Силаев, М.А. Качество электрической энергии: история развития с конца XIX до' наших дней [Текст] / М.А. Силаев, Е.В. Ткаченко, К.А. Сыркин, М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский // Радиотехника, Электротехника и Энергетика: сб. тезисов докладов восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. -С.376.

12.Симуткин, М.Г. Влияние современных бьгговых электроприемников на качество электроэнергии в системе электроснабжения [Текст] / М.Г. Симуткин, М.Ю. Стариченко, В.Н. Тульский, Г.В. Шведов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: сб. тезисов докладов шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010, - Т.З. - С. 397-399.

13.Асанов, А.К. Электромагнитная совместимость систем электроснабжения и электроприемников жилых и общественных зданий [Текст] / А.К. Асанов, А.Д. Демидов, М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский, Г.В. Шведов // Энергосбережение. Теория и практика: сб. науч. тр. шестой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.279-283.

М.Карташев, И.И. Построение системы управления качеством электроэнергии в электросетевых компаниях [Текст] / И.И. Карташев, P.P. Насыров, М.Г. Симуткин, В.Н. Тульский, В.Т. Воронин, Р.Г. Шамонов, О.В. Большаков // Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем - ЭНЕРГО-2012: сб. трудов второй всероссийской научно-практической конференции (Москва, 4-6 июня 2012 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 70-72.

15.Тульский, В.Н. Актуальные проблемы обеспечения качества электрической энергии в распределительных сетях [Текст] / В.Н. Тульский, И.И. Карташев, P.P. Насыров, М.Г. Симуткин // Электроэнергия. Передача и распределение: сб. докладов XIX заседания ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО» (г.Ханты-Мансийск, 6-8 февраля 2013 г.).-2013.-С. 28-33.

Подписано в печать заказ Тир. Печл.

Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д.13.