автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методов повышения эффективности эксплуатации участковых карьерных трансформаторных подстанций

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Исходные положения.

1.2. Особенности эксплуатации трансформаторных подстанций в условиях открытых горных работ.

1.3. Анализ методов исследования электрических нагрузок.

1.4. Конструкционные особенности карьерных трансформаторных подстанций.

1.4.1. Анализ параметров трансформаторов карьерных подстанций.

1.4.2. Анализ эксплуатационных потерь электрической энергии в трансформаторах ГПП и КТП горных предприятий.

1.5. Задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРЬЕРНЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ.

2.1. Основы вероятностного анализа графиков нагрузок.

2.2. Метод выбора интервала осреднения графиков нагрузок.

2.3. Моделирование графиков нагрузок.

2.4. Методика определения потерь мощности и электроэнергии в трансформаторах карьерных подстанций.

2.5. Метод определения оптимальных параметров трансформаторов

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК КАРЬЕРНЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ.

3.1. Анализ технологических схем горных работ, влияющих на формирование графиков нагрузок.

3.2. Выбор интервала осреднения графиков нагрузок.

3.3. Измерительная аппаратура для исследования графиков нагрузок .'.

3.4. Экспериментальные исследования графиков нагрузок.

3.5. Определение вероятностных характеристик графиков нагрузок

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ КАРЬЕРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ.

4.1. Анализ величин потерь мощности и электроэнергии в трансформаторах карьерных подстанций.

4.2. Выбор оптимальных параметров трансформаторов карьерных подстанций.

4.3. Анализ конструктивных особенностей трансформаторов карьерных подстанций с оптимальными параметрами.

4.4. Эффективность эксплуатации трансформаторов карьерных подстанций с оптимальными параметрами.

4.5. Выводы.

Актуальность темы. В последние годы тенденции развития экономики в Российской Федерации диктуют необходимость повышенного внимания к проблемам электроэнергетики. Это обусловлено произошедшим за прошедшее десятилетие переходом к рыночным отношениям между производителями и потребителями электроэнергии, изменением структуры энергоснабжающих организаций, выходом предприятий-потребителей на фондовый оптовый рынок электрической мощности (ФОРЭМ), а также многократно возросшими тарифами за пользование электроэнергией. Практика показывает, что в настоящее время доля платы за электроэнергию в конечной цене продукции многих предприятий (особенно в горнометаллургической отрасли промышленности) значительно превышает 50 %.

В таких условиях вопросы снижения потерь электроэнергии и увеличение эффективности применения электрического оборудования приобретают повышенную остроту и актуальность. В настоящее время потери электрической энергии в распределительных сетях карьера составляют около 14 %, половина которых приходится на потери в цеховых (участковых) трансформаторах.

Для горно-добывающих предприятий, использующий открытый способ разработки, характерна большая протяжённость распределительных сетей и большое количество участковых трансформаторных подстанций. Поэтому задача повышения эффективности эксплуатации трансформаторных подстанций в условиях открытых горных работ является важной частью снижения потерь электрической энергии в системах электроснабжения предприятий.

Несмотря на многочисленные исследования, проведённые различными институтами и организациями, закономерности формирования графиков нагрузок потребителей на открытых горных работах изучены в недостаточной степени, что обусловлено большим разнообразием технологий ведения открытых горных работ и постоянно появляющимися новыми типами оборудования.

На участковых подстанциях горнодобывающих предприятий, использующих открытые системы разработки, в подавляющем большинстве случаев установлены трансформаторы серий общепромышленного назначения (как правило, типа ТМ). Однако современные серии трансформаторов общего назначения по своим характеристикам предназначены, в основном, для двухтрансформаторных ГПП, поэтому их применение на карьерных участковых подстанциях, которые резко отличаются по режиму работы от ГПП, приводит к неэффективному использованию активных материалов трансформаторов, а также неоправданно высоким потерям электрической энергии.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что повышение эффективности эксплуатации участковых карьерных трансформаторных подстанций путём снижения потерь электрической энергии, основанное на исследовании электрических нагрузок потребителей в условиях открытых горных разработок, является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования электрических нагрузок карьерных участковых трансформаторных подстанций для разработки методов повышения эффективности их использования, направленных на уменьшение эксплуатационных потерь электрической энергии.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности эксплуатации карьерных подстанций может быть достигнуто путём применения трансформаторов с параметрами, требования к которым разработаны на основе анализа специфических условий эксплуатации и режимов работы карьерных электроприёмников.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна.

1. Вероятностное распределение электрических нагрузок карьерных трансформаторных подстанций представляется полимодальным с составляющими, определяемыми технологическими режимами и характером электропотребления индивидуальных электроприёмников.

2. Выбор интервала осреднения графиков нагрузок обосновывается учётом вида и параметров автокорреляционных функций графиков, а также задаваемой допустимой погрешности определения их статистических характеристик.

3. Параметры трансформаторов для карьерных подстанций определяются на основе типового графика нагрузки, смоделированного по принципу минимизации отклонений вероятностных характеристик совокупности исходных реализаций с учётом их неоднородности путём задания весовых коэффициентов, зависящих от длительности реализаций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: достаточным объёмом экспериментальных исследований, проведённых в реальных условиях; применением для обработки результатов исследований методов теории вероятностей и математической статистики; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей с погрешностью, не превышающей 10%.

Научное значение работы заключается в следующем: установлении закономерности формирования групповых графиков нагрузок потребителей на открытых горных работах, учитывающей условия и режимы работы горно-технологического оборудования; разработке вероятностной модели графиков нагрузок, позволяющей создать метод определения параметров трансформаторов, предназначенных для карьерных участковых трансформаторных подстанций.

Практическое значение работы состоит в разработке: методики определения потерь электрической энергии в трансформаторах, учитывающей вероятностные характеристики графиков нагрузок; разработке методики определения расчётной мощности силовых трансформаторов карьерных участковых подстанций, основанной на принципе минимизации эксплуатационных потерь мощности и максимального использования активных материалов; предложении рекомендаций по созданию трансформаторов, предназначенных для карьерных подстанций и позволяющих снизить потери электрической энергии.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные положения диссертационной работы в части методики определения расчётной мощности силовых трансформаторов участковых подстанций, основанной на принципе минимизации эксплуатационных потерь мощности и максимального использования активных материалов, а также методики определения потерь мощности и электроэнергии в силовых трансформаторах, основанной на учёте вероятностных характеристик электрических нагрузок, внедрены на ТОО «Фирма РОСИЯ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование» (Новомосковск, 1998 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование» (Оренбург, 1999 г.), на научно-технической и методической конференции «Энергосбережение. Электроснабжение. Электрооборудование» (Санкт-Петербург, 1999 г.), на федеральной научно-технической конференции «Электроснабжение, энергосбережение и электроремонт» (Новомосковск, 2000 г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 16 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 68 наименований.

4.5 Выводы

Проведённый в четвёртой главе анализ данных исследования позволяет получить следующие результаты:

1. Приведены статистические характеристики графиков нагрузок карьерных потребителей электрической энергии.

2. По результатам обработки графиков нагрузок карьерных потребителей электрической энергии рассчитаны потери электроэнергии и мощности в трансформаторах участковых подстанций серии ТМ.

3. Показано, что КПД существующих трансформаторов, используемых на карьерных участковых трансформаторах, существенно отличается от максимально возможного.

4. Предложено оптимальное отношение номинальных потерь холостого хода и короткого замыкания трансформаторов, предназначенных для карьерных участковых подстанций.

5. Рассмотрены конструктивные особенности трансформаторов, предназначенных для карьерных участковых подстанций, с оптимальными параметрами.

6. Рассчитаны потери электроэнергии в предлагаемых трансформаторах при их работе по реальным графикам нагрузок.

7. Установлена эффективность применения на карьерных участковых подстанциях трансформаторов с оптимальными параметрами, позволяющая снизить потери электрической энергии на 30 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной научной задачи повышения эффективности эксплуатации участковых карьерных подстанций путём снижения потерь электрической энергии в установленных в них силовых трансформаторах.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Статистические характеристики графиков нагрузки карьерных электроприёмников могут быть определены, исходя из величин установленных мощностей и характера технологических условий эксплуатации.

2. Повышение точности определения потерь электрической энергии, а также средневзвешенных потерь мощности достигается путём использования вероятностных характеристик графиков нагрузки.

3. Предложен метод, позволяющий определять оптимальное соотношение номинальных потерь короткого замыкания и холостого хода в трансформаторах, предназначенных для электроснабжения карьерных электропотребителей, исходя из реальных графиков нагрузки.

4. Произведена запись графиков нагрузок экскаваторов и приведены статистические характеристики, полученные в результате их анализа.

5. Полученные автокорреляционные функции графиков нагрузок экскаваторов могут быть аппроксимированы экспоненциальными зависимостями, либо функциями, представляющими собой сумму двух экспонент, что даёт возможность выбора интервала осреднения записей реализаций графиков нагрузок, позволяющего определять их статистические характеристики с заданной точностью.

6. Подтверждена гипотеза о подчинении графиков электрических нагрузок экскаваторов закону распределения, представляющему собой смесь двух нормальных и одного дискретного распределений.

7. Выбраны оптимальные параметры трансформаторов, предназначенных для карьерных участковых подстанций, позволяющие снизить потери электрической энергии.

1. Копытов Н. В. Определение коэффициента одновременности для приводов с повторно-кратковременной нагрузкой // Вестник электропромышленности, 1933, №9.

2. Каялов Г. М. Определение максимума нагрузки группы произвольных электроприёмников // Электричество, 1937, № 9 10.

3. Лифшиц Д. С. Расчётные нагрузки электросетей // Электричество, 1949, №12.

4. Мукосеев Ю. JI. Вопросы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Госэнергоиздат, 1963.

5. Каялов Г. М. Основы анализа нагрузок и расчёта электрических сетей промышленных предприятий // Электричество, 1951, № 4.

6. Гнеденко Б. В., Мешель Б. С. О статистических методах расчёта и исследования электрических нагрузок промышленных сетей // Электричество, 1961, № 2.

7. Каялов Г. М. Расчётная нагрузка фидера электрической сети и её вычисление по заданному графику // Изв. вузов. Электромеханика, 1961, №4.

8. Волобринский С. Д. и др. Электрические нагрузки промышленных предприятий / Волобринский С. Д., Каялов Г. М., Клейн П. Н., Мешель Б. С. Л.: Энергия, 1971.

9. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок, № 6. М.: Энергия, 1968.

10. Указания по определению заявляемой мощности предприятия в часы максимума энергосистемы (договорной) // Инструктивные материалы Госэнергонадзора.-М.: Энергия, 1977.

11. Шидловский А. К., Вагин Г. Я., Куренный Э. Г. Расчёты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1992.

12. Жежеленко И. В. и др. Методы вероятностного моделирования в расчётах характеристик электрических нагрузок потребителей // Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л., Степанов В. П. М.: Энергоатомиздат, 1990.

13. Жежеленко И. В., Степанов В. П., Быховская О.В. Вероятностное моделирование расчётных электрических нагрузок промышленных установок // Электричество, 1983, № 7.

14. Жежеленко И. В., Липский А. М., Саенко Ю. Л. Определение эквивалентного тока нагрева проводников в системах электроснабжения промышленных предприятий // Электричество, 1985, №8.

15. Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. К вопросу выбора номинальной мощности силовых трансформаторов // Изв. вузов. Сер. Энергетика, 1985, №6.

16. Кудрин Б. И. Основы комплексного метода расчёта электрических нагрузок // Промышленная энергетика, 1986, №11.

17. Кудрин Б. И. Комплексный метод расчёта электрических нагрузок. М.: Моск. энергет. ин-т, 1987.

18. Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1995.

19. Белых Б. П. и др. Электрические нагрузки и электропотребление на горнорудных предприятиях / Белых Б. П., Свердель И. С., Олейников В. К. -М.: Недра, 1971.

20. Турышев Б. Ф. Теория графиков нагрузки и основы расчёта электроснабжения открытых горных разработок // Горная электромеханика, вып. XXVI. Металлургиздат, 1956.

21. Электрификация открытых горных работ / Волотковский С. А., Щуцкий В. И., Чеботаев Н. И. и др. М.: Недра, 1987.

22. Гладилин Л. В. Основы электроснабжения горных предприятий. -М.: Недра, 1980.

23. Чулков Н. Н. Электрификация карьеров. М.: Недра, 1974.

24. Железко Ю. С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практ. расчётов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

25. Гордеев В. И. О причинах завышения расчётного максимума электрической нагрузки // Промышленная энергетика, 1983, № 6.

26. Вагин Г. Я. О причинах завышения расчётных нагрузок по нагреву // Промышленная энергетика, 1980, № 3.

27. Степанов В. П., Жежеленко И. В. О причинах завышения расчётных нагрузок по нагреву // Промышленная энергетика, 1984, № 10.

28. Тихомиров П. М. Расчёт трансформаторов. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

29. Аншин В. Ш., Худяков 3. И. Сборка трансформаторов и их магнитных систем. М.: Высшая школа, 1985.

30. Селищев А. Н. Шахтные сухие трансформаторы и передвижные подстанции. -М.: Недра, 1968.

31. Свечарник Д. В., Нарешелашвили Д. Г. Резервы повышения эффективности трансформаторов // Промышленная энергетика, 1988. № 6.

32. Шницер Л. М. Нагрузочная способность силовых трансформаторов.-М.: Госэнергоиздат, 1953.

33. Боднар В. В. Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

34. Борю Ю. И., Стенина М. А. Учёт сезонных и недельных изменений нагрузки при оптимизации силовых трансформаторов // Электротехническая промышленность. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1972, вып 5 (14).

35. Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб., и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

36. Брускин Д. Э. и др. Электрические машины. Ч. I. / Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. М.: Высшая школа, 1987.

37. Петров Г. Н. Электрические машины. Ч. I. М.: Энергия, 1974.

38. Справочник энергетика карьера / Голубев В. А., Мирошкин П. П., Щадрин Н. Н. и др.; под ред. Голубева В. А. М.: Недра, 1986.

39. Мукосеев Ю. Л. Гибкое распределение электроэнергии в цехах холодной обработки металлов // Вестник электропромышленности, 1940, № 10.

40. Временные руководящие указания по определению электрических нагрузок промышленных предприятий. М.: Госэнергоиздат, 1961.

41. Электрические машины: Трансформаторы: Учеб. пособие для электромех. спец. вузов / Сергеенков Б. Н., Киселёв В. М., Акимова Н. А.; под. ред. Копылова И. П. М.: Высшая школа, 1989.

42. Лизунов С. Д., Лоханин А. К. Проблемы современного трансформаторостроения в России // Электричество, 2000, № 8, 9.

43. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий / Под ред. Фёдорова А. А. и Сербиновского Г. В. В 2-х кн. Кн. 1. Проектно-расчётные сведения. М.: Энергия, 1973.

44. Камышан Н. Г., Молодых А. В. Анализ эффективности нормативных методов определения мощности ПКТП на горных предприятиях / Тезисы докладов научно-технической конференции «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование». — Новомосковск, 1996.

45. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1971.

46. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука. 1969.

47. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988.

48. Закс Лотар. Статистическое оценивание. — М.: Статистика. 1971.

49. Айвазян С. А. и др. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. / Айвазян С. А., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. М.: Финансы и статистика, 1983.

50. Камышан Н. Г. Молодых А. В. Выбор интервала осреднения графиков нагрузок // Электроснабжение, энергосбережение и электроремонт: Тез. докл. науч.-техн. конф. Новомосковск. Изд-во НИ РХТУ им Д. И. Менделеева, 2000.

51. Ройтенберг Я. Н. Автоматическое управление. М.: Наука,1971.

52. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей: Учебник. Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

53. Камышан Н. Г., Молодых А. В. Формирование электрических нагрузок карьерных участковых трансформаторных подстанций // Электрика, 2001, № 2.

54. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Главн. ред. физ.-матем. лит., 1968.

55. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. В 2-х т. / Под общ. ред. Фёдорова А. А. М.: Энергоатомиздат, 1986.

56. Камышан Н. Г., Молодых А. В., Борисенко В. А. Потери мощности в трансформаторах карьерных ПКТП // Электрификацияметаллургических предприятий Сибири, вып. 8 / Сост. и общ. ред. Кудрин Б. И. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1999. - 272 с.

57. Постников И. М. Проектирование электрических машин. — Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1952.

58. Камышан Н. Г., Молодых А. В. Повышение КПД шахтных ПКТП // Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование. Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции. — Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1999.

59. Камышан Н. Г., Молодых А. В. Минимизация потерь электроэнергии в участковых передвижных комплектных трансформаторных подстанциях горных предприятий // Промышленная энергетика, 2001, № 2.

60. Камышан Н. Г., Молодых А. В. Моделирование вероятностных характеристик графиков нагрузки // Электроснабжение, энергосбережение и электроремонт: Тез. докл. науч.-техн. конф. Новомосковск. Изд-во НИ РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2000.

61. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. М.: Недра, 1982.

62. А. с. 1273814 СССР, МПК G 01 R 11/00. Комплект измерительной аппаратуры / Шугуров В. И., Сухарев О. В., Сингаевский Ю. Д., Камышан Н. Г., Волошиновский И. И. (СССР). -3662977/24-21; Заявлено 11.11.83; Опубл. 30.11.86. Бюл. 44.

63. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. М.: Наука. Главн. ред. физ.-матем. лит., 1974.

64. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Метод обработки данных — М.: Мир, 1980.

65. Strum, Robert D., and Donald E. Kirk. First Principles of Discrete Systems and Digital Signal Processing. — Reading, Mass.: Addison-Wesley Publishing Company, 1988.

66. Молодых А. В. Снижение потерь активной мощности в трансформаторах карьерных ПКТП // Электрификация металлургических предприятий Сибири, вып. 8. / Сост. и общ. ред. Б. И. Кудрин. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1999.