автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения

На правах рукописи

ОСИПОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

УЧЕТ НАГРЕВА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ В РАСЧЕТАХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - "Электростанции и электроэнергетические

системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 2005

На правах рукописи

ОСИПОВ ДМИТРИИ СЕРГЕЕВИЧ

УЧЕТ НАГРЕВА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ В РАСЧЕТАХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 "Электростанции и электроэнергетические

системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 2005

Работа выполнена на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Омского государственного технического университета.

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Горюнов Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор Горелов Валерий Павлович кандидат технических наук, доцент Комякова Татьяна Владимировна

Ведущая организация - Новосибирский государственный технический университет

Защита состоится ^^ 2006 г. в 15 час. в аудитории 6-340 на за-

седании диссертационного совета К212.178.05 в Омском государственном техническом университете (644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета

Автореферат разослан " 26 " дяксйр^ 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

А.В. Бубнов

К).

.¡ЬНАЯ ЬКА

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Проблема обеспечения качества электроэнергии (КЭ) является одной из важнейших, определяющих надежность и эффективность электроснабжения потребителей. Отрицательное действие некачественной электроэнергии для энергосистем имеет следующие отрицательные последствия:

1. Возникают дополнительные потери мощности и энергии;

2. Повышается температура проводов линий электропередачи, а также обмоток трансформаторов и вращающихся электрических машин, которая может превысить допустимый уровень;

3. Ускоряется процесс старения изоляции;

4. Ухудшается работа потребителей электроэнергии, вследствие чего могут возникать сбои технологических процессов;

5. Могут возникать нарушения работы устройств релейной защиты, автоматики и телемеханики;

6. Увеличивается погрешность электроизмерительных приборов;

7. Сокращается срок службы конденсаторных установок из-за их перегрузки токами высших гармоник.

По данным разработчиков ГОСТ 13109-97 ущерб в целом по Российской Федерации от некачественной электроэнергии по таким её свойствам, как отклонение и несинусоидальность напряжения, а также несимметрия трехфазной системы напряжения, составил, по экспертным оценкам, примерно 20 млрд. руб. в год. Все это обусловило возрастание требований к КЭ, что привело к необходимости принятия 1 декабря 1999 г. Государственной Думой проекта Закона РФ «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств».

Попытки практической реализации требований в АО Энерго выявили целый ряд нерешенных вопросов по научному, организационно-методическому, нормативно-правовому и приборному обеспечению этих мероприятий. Поэтому в данной работе сделана попытка рассмотрения возможных подходов к решению вопросов, связанных с обеспечением качества электроэнергии и ее сертификацией.

На практике возникают задачи оценки экономичности и допустимости несинусоидальных режимов, а также выбора мероприятий по снижению уровня несинусоидальности. Указанному направлению посвящены работы зарубежных и отечественных ученых: Анисимов В.Е., Вагин Г.Я., Глинтерник С.Р., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зиновьев Г.С., Папалекси Н.Д., Поссе A.B., Розенов В.И., Arrillaga G, Ainsworth G., Reeve G и др.

Для решения этих задач необходима информация об уровнях высших гармоник в сети, которая может бьггь получена путем измерений или расчетов. Достоинством измерений перед расчетами является более высокая точность результатов, однако эти результаты справедливы лишь на момент измерения и могут быть получены только для ограниченного числа узлов сети и только для текущих, но не для перспективных режимов. Следовательно, расчет высших гармоник имеет не меньшее значение, чем непосредственное измерение. Поэтому разработка и со-

вершенствование методов исследования показателей КЭ представляет собой актуальную и важную с практической точки зрения задачу.

Поскольку учет температуры требует проведения тепловых расчетов в том или ином объеме, то данная работа опирается также на результаты исследования температурных режимов элементов сети, а в частности кабелей и трансформаторов. Поэтому в работе использовались классические модели температурных режимов, разработанные отечественными (Боднар В.В., Брагин С.М., Привезенцев и др.) и зарубежными учеными.

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики уточненного расчета высших гармоник и потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом нагрева токоведущих частей.

Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи:

• Проведен анализ влияния высших гармоник тока и напряжения на элементы системы электроснабжения, а также существующих методов расчета высших гармонических составляющих;

• Проанализирована существующая приборная база для измерения и контроля качества электроэнергии;

• Разработана математическая модель расчета потерь мощности и энергии в сетях с нелинейной нагрузкой с учетом нагрева токоведущих частей;

• Составлен алгоритм расчета высших гармоник в сети, содержащей кабель и трансформатор, с учетом нагрева токоведущих частей;

• Разработаны критерии целесообразности учета температуры в расчетах потерь и определения допустимости тепловых режимов элементов сети;

• Разработаны методика расчета нестационарных тепловых процессов при несинусоидальных режимах СЭС и критерий ее применимости.

Объект исследования. Электроэнергетические системы и сети промышленных предприятий с нелинейными нагрузками.

Предметом исследования является влияние нелинейности температурной зависимости на распространение высших гармонических составляющих в электрических сетях, а также влияние указанной нелинейности на уровень потерь в сетях при наличии высших гармоник.

Методы исследования.

При проведении работы использованы методы расчета электрических сетей, теоретической электротехники, вычислительной математики, линейной алгебры и математического анализа. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Вычислительные эксперименты и расчеты осуществлялись на алгоритмическом языке Object Pascal в среде Delphi. Сравнение результатов математического моделирования с процессами в реальных электроэнергетических системах производилось на основании экспериментальных работ, произведенных с применением шестнадцатиканального измерительно-

вычислительного комплекса "ОМСК-М", разработанного на кафедре «Электроснабжение» ОмГТУ, имеющего сертификат соответствия № РОСС RU.ME72.B01017, выданный органом по сертификации РОСС RU.000t.ll МЕ72 03.04.2001 г. и сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.34.004.A №5908, номер регистрации в Государственном реестре средств измерений 18070-99.

Научная новизна.

• Предложена новая методика уточненных расчетов высших гармоник в промышленных сетях и потерь мощности в элементах сети под действием высших гармоник с учетом нагрева токоведущих частей. Отличие предлагаемых в работе методов от ранее известных заключается в том, что они включают в себя расчеты температуры кабелей и обмоток трансформаторов и учитывают изменение активных сопротивлений этих элементов сети во времени;

• Получена математическая модель несинусоидального режима сети, содержащей кабель и трансформатор, учитывающая температуру токоведущих частей;

• Разработаны алгоритмы проверки допустимости тепловых режимов в сетях с нелинейной нагрузкой.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Методика уточненного расчета высших гармоник, потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом нагрева токоведущих частей;

• Алгоритм расчета высших гармоник в сети, содержащей кабель и трансформатор, с учетом нагрева токоведущих частей;

« Уравнения теплового баланса для кабеля и трансформатора при несинусоидальных и несимметричных режимах;

• Методика расчета нестационарных тепловых режимов в условиях несинусоидальности токов и напряжений в СЭС и критерий ее применимости;

Практическая ценность.

Практической ценностью работы являются предлагаемые методы расчета потерь при наличии высших гармонических составляющих с учетом нагрева, внедрение которых во многих случаях позволяет избежать ошибок при выборе мероприятий по снижению потерь в сети. Переход от методов расчета высших гармонических составляющих, не учитывающих нагрев, к методам, учитывающим нагрев, уточняет расчет потерь мощности и электроэнергии в элементах сети. Неучет нагрева токоведущих частей при несинусоидальных режимах СЭС может приводить к значительным погрешностям при расчете режимов, а также к ошибкам при выборе мероприятий по снижению потерь, неточности в технико-экономических расчетах. Решение вышеперечисленных задач в настоящее время имеет важный экономический аспект.

Разработан программно-вычислительный комплекс, основанный на предлагаемой методике, позволяющий рассчитывать высшие гармонические составляющие тока и напряжения, а также потери мощности и электроэнергии.

Разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный стенд, моделирующий трансформаторную подстанцию, питающую два вида нагрузки: линейную и нелинейную. Все измерения производятся при помощи измерительно-вычислительного комплекса Омск-М.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением для теоретических выводов разработанного математического аппарата; качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных экспериментов; апробацией как предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Энергетика на рубеже веков» Омск, 2003; международной научно-практической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2004; международной школе - семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2004; заседании кафедры «Системы электроснабжения предприятий» Новосибирского государственного технического университета, Новосибирск, 2005 г., заседаниях кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», включая секцию «Промышленная электроника» Омского государственного технического университета, Омск, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 111 наименований, приложений. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе: 25 иллюстраций и 7таблиц.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель и основные задачи работы, указаны методы исследования, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассмотрена общая характеристика существующих методов расчета высших гармонических составляющих в системах электроснабжения, а также сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

В настоящее время известны два подхода к расчету высших гармоник тока в электрических сетях. Один из них основан на решении системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающей электромагнитные процессы в вентильных преобразователях. На основе этого решения определяются кривые токов и напряжений. В настоящее время теория цепей располагает большим количеством аналитических и не аналитических методов расчета цепей с вентилями. Разработано множество методов численного решения нелинейных дифференциальных уравнений таких, как методы Тейлора, Эйлера, Рунге, Адамса. Эти методы применимы к уравнениям 1-го порядка, а уравнения, порядок которых выше 1-го, сводятся к системе уравнений 1-го порядка. С использованием ЭВМ численные

методы расчета высших гармоник тока и напряжения приобретают огромное значение.

Другой подход при расчете высших гармоник тока и напряжения в цепях с управляемыми выпрямителями предполагает, что вентильные преобразователи замещаются источниками тока или ЭДС высших гармоник. Использование этого принципа позволяет свести расчет спектрального состава токов и напряжений к последовательному и независимому расчету их действующих значений, причем электрическая сеть замещается своей схемой замещения в отдельности для каждой гармоники. Этот путь расчета гармоник тока и напряжения более соответствует физике явлений, а также способствует более успешному применению ЭВМ для расчета гармонических процессов.

В настоящее время существуют методы учета нагрева при выборе электрических аппаратов, а также при расчете и оптимизации потерь, однако все методики не предполагают наличия в сети токов с несинусоидальной кривой, т.е. наличия несинусоидальных режимов.

Несинусоидальные режимы являются в большинстве случаев неэкономичными и могут быть технически недопустимыми. Для решения задач оценки экономичности и допустимости этих режимов, а также для выбора мероприятий по снижению уровня несинусоидальности необходимо более точное моделирование элементов сети, нагрузок и источников питания.

Во второй главе производится разработка уточненных методов расчета высших гармоник и потерь мощности в электроэнергетических системах с учетом нагрева токопроводящих частей элементов сети.

Элементы сети при расчете несинусоидальных режимов обычно представляются в виде схем замещения с линейными сопротивлениями и проводимостями. Однако в действительности часть этих сопротивлений и проводимостей являются нелинейными. Одним из видов этой нелинейности является нелинейность активных сопротивлений проводников вследствие температурной зависимости, которая выражается формулой

где К0 - активное сопротивление при нуле градусов Цельсия; а - температурный коэффициент сопротивления; ©„ - температура проводника; Я - активное сопротивление при температуре &„.

Сопротивление элементов сети может за счет изменений температуры изменяться примерно на 40% и, настолько же могут измениться и потери мощности. Следовательно, в расчетах необходимо учитывать температуру.

В настоящее время в стране выпускаются кабели и провода с изоляцией из сшитого (вулканизированного) полиэтилена, которая допускает значительно более высокий нагрев, чем ранее применяемые типы изоляции. Максимально допустимая температура послеаварийного режима для таких кабелей и проводов составляет +130 °С. Температурный коэффициент сопротивления, согласно [6] и по данным фирм-изготовителей проводниковой продукции, может принимать значения около 0,004 °С"' в зависимости от материала проводника и от того, какая температура принимается в качестве опорной. Опорной в данном случае названа та температура, к которой приведено сопротивление, относительно которого ведется

расчет. При практических расчетах обычно принимается а = 0,004 °С"' [7], и это значение соответствует опорной температуре 20 °С. Чтобы привести этот коэффициент к нулю градусов, необходимо разделить его на величину (1 - а-20) = 0,92. Тогда при нуле градусов а = 0,00435 °С"'.

Считая минимальную температуру равной -50 °С, получим: при -50 °С Д=0,78 Л0; при +130 °С Л = 1,577?0. Таким образом, максимальный диапазон изменения активного сопротивления в рабочем диапазоне температур весьма значителен и составляет примерно 80% от сопротивления при нуле градусов.

Для того чтобы рассчитать несинусоидальный режим с учетом температуры, необходимо в той или иной форме задать функциональную зависимость температуры проводников от параметров режима электрической сети. Эта зависимость для разных элементов сети имеет разный вид, который определяется уравнениями теплового баланса. В простейшем случае при симметричной токовой нагрузке в стационарном тепловом режиме уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

з(1 + а.в„)£/Х.0 =^„-0оч>)

(2)

где I, - действующее значение тока у-й гармоники; Яу 0 - активное сопротивление току у-й гармоники при нуле градусов Цельсия; А - коэффициент теплоотдачи; &окр - температура окружающей среды.

В ходе проводимых исследований автором ставилась задача оценить степень влияния учета высших гармоник на потери активной мощности.

Так, для схемы, представленной на рисунке 1 проводился ряд вычислительных экспериментов.

Так как температура проводника определяется всем спектром гармоник тока, то для расчета несинусоидальных режимов с учетом температуры метод наложения в чистом виде неприменим. Поэтому в разработанной методике предлагается использование итерационного подхода. Последовательность расчета в стационарном тепловом режиме представляет собой следующее:

1. Задаются начальные приближения температур проводников;

2. Производится расчет несинусоидального режима по методу наложения при принятых температурах;

3. Из уравнений теплового баланса определяются следующие приближения температур и сравниваются с предыдущими. Если все расхождения (невязки) на-

вл

клте

Рис.1 Исследуемая схема СЭС

ходятся в пределах заданной точности, то расчет заканчивается. В противном случае осуществляется возврат к пункту 2.

Если тепловой режим нестационарен, то уравнения теплового баланса являются дифференциальными. В этом случае режим сети изменяется во времени и может быть рассчитан путем численного решения уравнений нагрева совместно с электрическими уравнениями например, с уравнениями узловых потенциалов. Уравнения теплового баланса элементов сети приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Уравнения теплового баланса элементов сети_

Тип элемента Уравнения Пояснения

Кабель 6-10 кВ, проложенный в воздухе ® е1И др~ . " - " 5Х+Л©Г,И А АР - потери активной мощности в ЛЭП; 0Ж - превышение температуры жилы кабеля над температурой окружающей среды; 0„ - превышение температуры поверхности кабеля над температурой 01фужающеЙ среды; 5, тепловое сопротивление кабеля; АК - постоянный коэффициент, характеризующий интенсивность теплоотдачи от кабеля в воздух; - тепловое сопротивление грунта; Р - площадь поверхности провода; - температура провода; &оч> - температура окружающей среды; р -давление воздуха, Па; у - скорость ветра м/с; л - диаметр провода, м. ЛРт - потери активной мощности в трансформаторе (потери в меди); &и и &об - превышение температуры соответственно средних слоев масла над температурой окружающей среды и температуры обмоток над температурой масла; А, и ^ -коэффициент, характеризующий теплоотдачу соответственно от масла в воздух и от обмоток в масло; ®т превышение температуры обмоток трансформатора над температурой окружающей среды; л, коэффициент теплопередачи от обмоток трансформатора в воздух

Кабель 6-10 кВ, проложенный в земле 0 д/>= ж ¿„ + 5,

Воздушная линия с неизолированными проводами ДР=кР\®„„~@„р)> к = 2,8(1 + 0,0060,,,)+ 8,95^^

Сухой транс-• форматор

Масляный трансформатор с естественной циркуляцией масла [ЛР„ = 4Аи

Масляный трансформатор с принудительной циркуляцией масла \Рл+ЬРя=Ля9а [Д

Параметры расчетной схемы электроснабжения (рис. 1) приведены в табл. 2

иЗ.

Таблица 2.

____Параметры линий___

Тип и номинальное напряжение № линии марка Сечение ■с 2 F, мм Допустимый ТОК Ijon, А Допустимая температура tw,°C Длина L, км Окружающая среда

ВЛЭП 110 кВ W1 АС 120 390 +70 10 Воздух

клэп 10 кВ W2, W3 АПсшБбШв 35 136 +90 5 Воздух

Таблица 3.

Параметры трансформато ров

№ трансформатора Номинальная МОЩНОСТЬ Shok* кВА Номинальное напряжение U.„/Um,KB Допустимая температура Тип

Т1 6300 115/11 +85 Масляный

Т2.ТЗ 2500 11/0,69 +85 Масляный

Следует отметить, что неучет нагрева токоведущих частей может приводить к значительным погрешностям при расчете потерь мощности и энергии. Так для трансформатора ТЗ был проведен вычислительный эксперимент по определению погрешности расчета потерь мощности при учете и неучете температуры (рис. 2, табл.4.):

Потери активной мощности

9

---

/

оГ 12000

'У

4000 -

0 1 0 К" г о ко» Ртрс! 3 0 ||фИф1 «мер 4 0 WHTia -»-d 6 0 грузк» Ртрбеэ 6 0 , ол. без те 7 0 unefTj 8 0

Рис. 2. — расчет потерь мощности в трансформаторе при учете и неучете температуры

На основании приведенных данных можно заключить, что при загрузке более некоторого значения погрешность начинает превышать допустимый предел точности 5%. А для данного случая, при коэффициенте загрузки трансформатора 0,8 погрешность достигает 21,6 %, что довольно значительно.

Таблица 4.

Расчет погрешности определения потерь мощности в трансформаторе

Коэффициент Загрузки, o.e. Потери мощности при учете температуры, ДР', Вт Потери мощности при неучете темперэтуры, АР, Вт Погрешность определения потерь мощности, ДР, %

0,1 250,5 240,1 4,2

0,2 1031,3 978,97 5,1

0,3 2405,1 2249,4 6,5

0,4 4465,9 4092,1 8,4

0,5 7347,8 6556,1 10,8

0,6 11246,4 9702,9 13,7

0,7 16447,3 13605,1 17,3

0,8 23407,3 18360 21,6

Неучет температуры окружающей среды может также внести определенного рода погрешность в расчет сопротивления. Для оценки этой погрешности был произведен вычислительный эксперимент при базисных условиях, представленных в таблице 2,3 при изменении температуры окружающей среды от -30 до +20°С. Были получены следующие (таблица 5, рисунок 3) результаты для элементов \УЗ и ТЗ.

Таблица 5.

Температура окружающей среды ^ °С Потери активной мощности в трансформаторе ТЗ, Вт Потери активной мощности в линии W3, Вт

-30 19 160 33 559

-25 19 607 34 388

-15 20 054 35 218

-10 20 503 36 050

-5 20 952 36 883

0 21402 37 718

5 21 853 38 555

10 22 304 39 393

15 22 756 40 233

20 23 209 41075

Следует отметить, что при указанных базисных условиях диапазон изменения расчета потерь мощности составляет 20-25% для кабельной линии и трансформатора.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что учет окружающей температуры, для кабельных линий, проложенных в воздухе и в случае значительных перепадов между зимними и летними температурами обязателен.

Расчет потерь мощности при различных температурах окружающей среды

-тз

-т

-30 -25 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Температура I, град.

Рис. 3. Расчет потерь мощности при различных температурах окружающей среды

Рассмотрим вариант установки фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ) в узле подключения нелинейной нагрузки. Данное мероприятие всегда связано с дополнительными затратами, и поэтому решение о его внедрении должно приниматься на основании технико-экономического расчета. Снижение потерь при установке ФКУ обусловлено снижением реактивной мощности, протекающей по элементам сети, а также фильтрацией высших гармоник тока нелинейной нагрузки. Однако при реализации данного мероприятия следует учитывать, что в ФКУ также возникают дополнительные потери, в связи с чем результирующее снижение потерь уже не равно снижению нагрузочных потерь, а должно определяться по следующей формуле, записанной для потерь мощности:

Ррез-Рисх'Рм~Рфку

где Рнс* - нагрузочные потери в исходном режиме; Рм - нагрузочные потери после внедрения мероприятия, т.е после установки ФКУ; Рфку -потери в фильтро-компенсирующем устройстве.

Рассмотрим случай установки ФКУ на п/ст ТП 23 ОАО «Омскшина». Расчетная схема представлена на рисунке 3. На данной подстанции при помощи ИВ К Омск-М были сняты суточные характеристики графиков нагрузок, а также показатели качества электроэнергии (рисунок 5). Вычислительный эксперимент производился при следующих исходных данных:

1. график нагрузки равномерный;

2. Передаваемая по ветви активная мощность равна 640 кВт;

3. передаваемая по ветви реактивная мощность до компенсации равна 360 квар;

4. температура окружающей среды 20°С.

10кВ АСБ-10<Зх50>, ТМ-1000/10 0<4

(1=0 ЗЬкм . I

—»—

Рис. 3 - Расчетная схема и схема замещения ТП-23 секция 2

Спипр Фыапт того»

* 5 10 1В 30 35 30 Э5 40

Номер гармоники

Рис. 4 Результаты измерений спектра гармоник тока на п/ст ТП-23 секция 2

При этих условиях в сети до компенсации присутствуют токи 5, 7, 11, и 13 гармоник, а действующее значение суммарного тока с учетом всех гармоник составляет 1196 А. После установки ФКУ, высшие гармонические составляющие будут отфильтровываться, и действующее значение тока составит 642 А. Кроме того, после установки ФКУ значение передаваемой по ветви реактивной мощности составит 60 квар.

Принятое для установки ФКУ комплектуются конденсаторными батареями, удельные потери в которых равны 0,003 кВт/квар, а также реакторами, типа ФРОС, потери в которых составляют 1,2 кВт. Тогда полные потери в ФКУ составят:

Рфку=0,003-300+1,2= 2,1 кВт Воспользовавшись алгоритмом расчета потерь, приведенным выше, были получены следующие результаты:

Таблица 6.

Результаты расчета потерь с учетом и нучетом температуры_

Потери мощности в элементах сети, Вт КЛ Трансформатор

До установки ФКУ Без учета температуры 1382 6682

С учетом температуры 1434 7972

После установки ФКУ Без учета температуры 884 4282

С учетом температуры 906 4914

Таким образом, снижение потерь мощности без учета нагрева составит:

<£4Р = 1382 + 6682-884-4282-2100 = 798 Вт Снижение потерь мощности с учетом нагрева составит:

&1Р = 1434 + 7972 - 906 - 4914 - 2100 = 1486 Вт

Погрешность определения снижения потерь мощности при неучете нагрева:

798-1486

8 =

■100% »45%

1486

Как видно, эта погрешность достаточно велика, чтобы считать обоснованным учет нагрева токоведущих частей при выборе мероприятия по снижению потерь. Кроме того, эта погрешность больше, чем погрешность расчета самих потерь в отдельных элементах сети, в исходном режиме и после внедрения мероприятия. Уточнение расчета потерь позволит инженерным службам предприятий более точно рассчитывать балансы потребления электроэнергии при проведении энергетических обследований. Как правило, вследствие неточности расчета потерь существует практика относить невязку баланса к коммерческим потерям, что в конечном итоге пагубно отражается на потребителе энергоресурсов. Полученные в работе результаты могут быть полезны также на стадии проектирования, поскольку уточнение расчета потерь позволит в значительной степени уточнить технико-экономические расчеты.

В третьей главе разработана методика расчета несинусоидальных режимов СЭС при нестационарных (неустановившихся) тепловых режимах в элементах сети. Разработан критерий применимости методик расчета стационарных и нестационарных тепловых режимов.

Представленные во второй главе уравнения теплового баланса для элементов СЭС относятся к случаю стационарного (установившегося) теплового режима. Однако, как правило, нагрузки большинства элементов являются переменными (суточные, сезонные изменения нагрузок). Вследствие этого возникла задача разработать алгоритм учета нагрева токоведущих частей при расчете несинусоидальных режимов СЭС при переменном характере нагрузок.

Были составлены уравнения теплового баланса для нестационарных режимов. Все они представляют собой дифференциальные уравнения, которые в работе рассчитывались численным методом Рунге-Кутта четвертого порядка.

Уравнение теплового баланса сухого трансформатора в нестационарном режиме:

+ 3(1 + ог0прт) £ lX,.0 =СТ~^ + Атв$ (3)

U о~2 ®

Уравнения теплового баланса трансформатора с принудительной циркуляцией масла в нестационарном режиме представляют собой систему линейных дифференциальных уравнений первого порядка с переменной правой частью:

Рхх +^r-RT +3(1+а0пр.м) ¿ЬХло =см^-+Ам6>пр.м;

р2 , г\2 n j<g ^ ^

^-if-Rr + 3(1 + а&пр IIyRTK.o = с0б~^ + Аоб6> б,

Уравнения теплового баланса масляного трансформатора с естественным охлаждением в нестационарном режиме

р*х + ЯТ + 30 + ®пр «) 10 = СМ^ + ;

" 2 2 /=2 (5) +3(1+ а<9пр об) = Соб^-+Аоб<об'

. и и=2 а1

Для кабеля, проложенного в воздухе

+ + + (6) и2 о=2 Л АК

Для кабеля в земле в нестационарном режиме:

К кл +3(1 + «0Пр = ——- + Акл6,кдж (7)

и и=2 ш

При изменении нагрузки во времени будет меняться и температура, элементов системы электроснабжения, соответственно будут меняться и сопротивления этих элементов. А это повлечет, в свою очередь, и изменение потерь мощности и электроэнергии.

Чтобы оценить погрешность от неучета изменения нагрузок, были взяты за основу реальные графики нагрузки, мощности и электроэнергии рассчитывались потери на каждом этапе приближения температур, т.е. на каждом шаге разностной сетки. При уменьшении шага сетки И повышалась точность нахождения производной температуры от времени и величины потерь. Интегрируя потери мощности на каждом этапе, находим суммарные потери электроэнергии за период, например, за сутки. По этим же графикам находим среднеквадратичную мощность (она

наиболее полно отражает величину потребленной мощности) за тот же период. Эту мощность принимаем за номинальную в стационарном режиме.

Проводилось большое количество численных экспериментов (порядка 25) с различными графиками нагрузки, используя созданную методику расчета тепловых нестационарных режимов с учетом температуры токоведущих частей. Данные, полученные по этой методике, сравнивались с данными из расчетов стационарного режима (таблица 7).

В некоторых случаях разница в расчетах находилась в пределах допустимой погрешности 5%. А в других - более 5%. Это говорило о том, что есть случаи, когда расчет стационарных тепловых режимов элементов СЭС не применим, в связи с большой погрешностью в расчетах.

Погрешность в расчетах двух этих режимов не выходила за 5% при коэффициенте формы кф, лежащем в интервале от 1 до 1,02583 и одновременно при

средней загрузке попадающей в интервал от 77% до 95 % номинальной. Это означает, что при указанных условиях расчет теплового режима можно вести как расчет стационарного. В противном случае, расчет необходимо вести по предложенной автором методике.

Таблица 7

Данные из расчетов нестационарного и стационарного режима

Элемент СЭС Потери электроэнергии Погрешность Кф средняя нагрузка

Вт-ч/сутки

Режим

нестационарный стационарный % %

Легкая промышленность (зима)

Т1 515707 487538 5,46223 1,06669 71,45833

Т2 382628 360302 5,83504

ТЗ 421467 398982 5,33489

ЧУ2 381892 361195 5,41959

369951 349136 5,62627

Торфяная промышленность (лето)

Т1 883188 930088 -5,31022 1,00038 97,29167

Т2 657217 691542 -5,22281

ТЗ 720951 760880 -5,53839

\У2 642803 680277 -5,82975

621391 658157 -5,91661

Нефтедобывающая промышленность (зима)

Т1 883188 930088 -5,31022 1,00038 97,29167

Т2 657217 691542 -5,22281

ТЗ 720951 760880 -5,53839

\У2 642803 680277 -5,82975

W3 621391 658157 -5,91661

Бытовая нагрузка (зима)

Т1 544013 525102 3,47621 1,02583 77,01667

Т2 402992 388694 3,54796

ТЗ 444471 430102 3,23277

W2 405225 392468 3,14811

W3 392803 379800 3,31038

Можно сделать следующие выводы:

- при пренебрежении нестационарным режимом погрешность расчета потерь мощности может превышать в ряде случаев, при коэффициенте формы кф

имеющим значение более 1,02583 может превышать 10%;

- пренебрежение этим режимом повлияет на экономические расчеты срока окупаемости оборудования.

В четвертой главе производится разработка программно-вычислительного комплекса, позволяющего реализовать разработанную методику. Программа позволяет рассчитывать несинусоидальные режимы СЭС с учетом фактического нагрева при стационарных и нестационарных тепловых процессах.

Рис 6 Интерфейс программы при задании исходных данных

Для задания нагрузки переменной во времени в данной программе идет ссылка на текстовый документ (рисунок 7). В нем задается суточная нагрузка в процентах от номинальной для различных промышленных предприятий. Число графиков равно числу текстовых документов.

Ц Зиьмий гцфм» пси

й «!рсм»ии11£чИ1вГ}11 • Ыггхч:

!!

Рисунок 7 - Задание суточной нагрузки через текстовый докумен!

Расчет начинается после задания всех параметров элементов СЭС, и нажатия кнопки «Расчет» в нижней части экрана (рисунок 6). Результаты расчета выводятся в свободном поле экрана (рисунок 8).

п>»;

Т^-т

1

вал1 '.ц. 1а Ц_д--Д—«яга

11е:

Я' [&>«» •

* !

«г

ЧЛГ Ш IV» «Л

(М< 4И V

•яш* (таи яшм яи яЬч жижшли

Е£У

Рисунок 8 Вывод результатов расчета

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с целями и задачами исследований в диссертационной работе получены основные научные и практические результаты.

• Проведена оценка влияния нелинейности активного сопротивления вследствие температурной зависимости на генерацию, а также на распространение высших гармоник, генерируемых другими источниками.

• Предложены новая методика уточненных расчетов высших гармоник в промышленных сетях, потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом нагрева токоведущих частей. Отличие предлагаемых в работе методов от ранее известных заключается в том, что они включают в себя расчеты температуры кабелей и обмоток трансформаторов и учитывают изменение активных сопротивлений этих элементов сети во времени;

• Составлены и исследованы уравнения теплового баланса для кабелей и трансформаторов при расчете высших гармоник;

• На основе разработанной методики составлены алгоритмы и разработан программно-вычислительный комплекс для проверки допустимости тепловых режимов в сетях с нелинейной нагрузкой.

• Рассмотрены возможности применения разработанного алгоритма к внедрению мероприятий по снижению потерь и компенсации высших гармоник. Показано, что применение данных методов позволяет избежать ошибок в определении расчетного снижения потерь, достигаемого за счет внедрения мероприятий; при этом расчеты показали, что имеют место случаи, когда учет нагрева дает возможность уточнить расчетное снижение потерь более чем на 40%.

• Определена область параметров режима, при которых учет нагрева является эффективным.

• Разработана методика расчета нестационарных тепловых режимов в условиях несинусоидальности токов и напряжений СЭС и критерий ее применимости;

Разработанный на основе предложенных алгоритмов программный комплекс получил свидетельство об отраслевой регистрации разработки №3341 в отраслевом фонде алгоритмов и программ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Горюнов В.Н., Ощепков В.А., Осипов Д.С Контроль качества электрической энергии // Энергетика на рубеже веков. Сб. материалов научно-практической конференции. Омск: ОмГТУ 2003. - С. 55-63.

2. Николаев М.Ю., Осипов Д.С. Проблема качества электрической энергии и некоторые пути ее решения в современных СЭС. Омск 2004. Деп. в ВИНИТИ 22.09.04 №1496-Б2С04

3. Осипов Д.С. Расчет несинусоидальных режимов систем электроснабжения с учетом тепловых лроцессов в элементах сети.// Динамика систем, механизмов н машин Сб. материалов международной научно-практической конференции. Омск: 2004. - С. 257-260.

4. Ощепков В.А., Осипов Д.С... Дед A.B. Проблемы контроля качества электрической энергии з электроэнергетических системах. Энергосбережение и энергетика Омской области № 1(6), 2004.

5 Ощепкоз В.А., Гиршин С.С., Осипов Д.С. Расчет несинусоидальных режимов систем электроснабжения с учетом тепловых процессов в элементах сети. Омский научный вестник.№3 (28) Омск 2004. С. 101-108.

6. Осипов Д.С. Электротехнические устройства и электрооборудование систем электроснабжения. Том 1. Справочник/ Под общей ред. Вязигина В.Л и др. (гл. ред. Грунин В.К.). Омск: Издательство ОмГТУ, 2004. 135с.

7. Тевс В.В., Осипов Д.С. Программно-вычислительный комплекс для моделирования высших гармоник в СЭС с существенной нелинейностью/ Энергосбережение - теория и практика. Сб. материалов международная школы-семинара молодых ученых. Москва 2004 г.

8. Осипов Д.С. Моделирование систем электроснабжения, содержащих нелинейные нагрузки.// Ощепков В.А., Тевс В.В., №3341 зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов и программ. 2004.

9. Осипов Д.С. Учет фактического нагрева токоведущих частей при расчете потерь в сетях промышленных предприятий с нелинейной нагрузкой. Энергосбережение и энергетика Омской области № 4 (13), 2004.

10. Гиршин С.С., Осипов Д.С. Влияние температуры проводников на параметры несинусоидальных режимов систем электроснабжения. Омск 2005. Деп. в ВИНИТИ 14.11.05 №1463 -В2005.

Личный вклад. В работах, подготовленных в соавторстве, соискателю принадлежит: обзор существующей приборной базы по измерению показателей качества электроэнергии [1, 4]; определена общая характеристика существующих методов расчета высших гармонических составляющих в системах электроснабжения [2]; разработана математическая модель и методика расчета потерь с учетом нагрева при несинусоидальных режимах СЭС; рассмотрены возможности применения разработанного алгоритма к кнедрению мероприятий по снижению потерь и компенсации высших гармоник; разработана методика расчета нестационарных тепловых режимов в условиях несинусоидальности токов и напряжений СЭС и критерий ее применимости [3,5,8,9] разработан алгоритм программно-вычислительного комплекса, произведена проверка правильности работы комплекса в среде МаШсас! [7].

В приложении приведены технические описания программ, реализующие разработанные алгоритмы и методики, а также мат ериалы о внедрении диссертационной работы.

Отпечатано с оригинала-макета, предоставленного автором

ИД №06039 от 12.10.2001

Подписано к печати 23 12 2005 Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16 Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 804.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 Типография ОмГТУ

г

I

<

ХЛ Г- ///

РНБ Русский фонд

2007-4 2986

с

8J AHB im

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

1.1 Состояние проблемы исследования качества электрической энергии

1.2 Математическое моделирование высших гармоник.

1.3 Обоснование необходимости учета температуры при расчете потерь электроэнергии.

2.РАСЧЕТ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ С УЧЕТОМ НАГРЕВА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ.

2.1 Методы расчета несинусоидальных режимов.

2.2 Исследование влияния нелинейности активных сопротивлений вследствие температурной зависимости на генерацию высших гармоник напряжения.

2.3 Математическое моделирование учета температурной зависимости активных сопротивлений в расчетах высших гармонических составляющих.

2.4 Тепловые процессы в трансформаторах.

2.5 Тепловые процессы в кабелях.

2.6 Тепловые процессы в проводниках ВЛЭП.

2.7 Влияние фактической температуры токоведущих частей на расчет несинусоидального режима и расчет потерь мощности.

2.8 Применение методов расчета потерь с учетом нагрева при выборе мероприятий по их снижению.

2.9 Выводы.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ СЭС.

3.1 Уравнения теплового баланса нестационарного теплового процесса для трансформаторов.

3.2 Уравнения теплового баланса нестационарного теплового процесса для кабельных линий.

3.3 Варианты тепловых уравнений для различных ветвей сети.

3.4 Сравнительный анализ влияния изменения нагрузки на потери в различных элементах сети.

3.5 Выводы.

4. ПРОГРАММА АНАЛИЗА НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СЭС С УЧЕТОМ НАГРЕВА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ.

4.1 Выбор аппарата для создания программного продукта.

4.2 Представление нелинейных элементов в программе.

Актуальность темы. Проблема обеспечения качества электроэнергии (КЭ) является одной из важнейших, определяющих надежность эффективность электроснабжения потребителей. Отрицательное действие некачественной электроэнергии для энергосистем имеет следующие отрицательные последствия:

1. Возникают дополнительные потери мощности и энергии;

2. Повышается температура проводов линий электропередач, а также обмоток трансформаторов и вращающихся электрических машин, которая может превысить допустимый уровень;

3. Ускоряется процесс старения изоляции;

4. Ухудшается работа потребителей электроэнергии, вследствие чего могут возникать сбои технологических процессов;

5. Могут возникать нарушения работы устройств релейной защиты, автоматики и телемеханики;

6. Увеличивается погрешность электроизмерительных приборов;

7. Сокращается срок службы конденсаторных установок из-за их перегрузки токами высших гармоник.

По данным одного из разработчиков ГОСТ 13109-97 Штиллермана B.C. ущерб в целом по Российской Федерации от некачественной электроэнергии по таким её свойствам, как отклонение и несинусоидальность напряжения, а также, несимметрия трехфазной системы напряжения, который составил, по экспертным оценкам, примерно 20 млрд. руб. в год. Все это обусловило возрастание требований к КЭ, что привело к необходимости принятия 1 декабря 1999 г. Государственной Думой проекта Закона РФ «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств». Однако письмом президента Российской Федерации Б. Н. Ельцина от 30 декабря 1999 г. № Пр-1737 на имя председателя Совета Федерации Федерального собрания РФ Е. С. Строева проект указанного закона был отклонен. Несмотря на это, Главгосэнергонадзором и Госстандартом России, а также целым рядом уполномоченных ими организаций предпринимаются действия, имеющие целью обязать энергоснабжающие организации, и в том числе АО Энерго, провести сертификацию электроэнергии.

Попытки практической реализации требований в АО Энерго выявили целый ряд нерешенных вопросов по научному, организационно-методическому, нормативно-правовому и приборному обеспечению этих мероприятий. Поэтому в данной работе сделана попытка рассмотрения возможных подходов к решению вопросов, связанных с обеспечением качества электроэнергии и ее сертификацией.

На практике возникают задачи оценки экономичности и допустимости несинусоидальных режимов, а также выбора мероприятий по снижению уровня несинусоидалыюсти. Указанному направлению посвятили ряд работ зарубежные и отечественные ученые: Анисимов В.Е., Ватин Г.Я., Глинтерник С.Р., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зиновьев Г.С., Костенко М.П., Нейман Л.Р., Папалекси Н.Д., Поссе A.B., Розенов В.И., Arrillaga G, Ainsworth G., Reeve G.

Для решения этих задач необходима информация об уровнях высших гармоник в сети, которая может быть.получена путем измерений или расчетов. Достоинством измерений перед расчетами является более высокая точность результатов, однако эти результаты справедливы лишь на момент измерения и могут быть получены только для ограниченного числа узлов сети и только для текущих, но не для перспективных режимов. Следовательно, расчет высших гармоник имеет не меньшее значение, чем непосредственное измерение. Поэтому разработка и совершенствование методов исследования показателей КЭ представляет собой актуальную и важную с практической точки зрения задачу.

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методики уточненного расчета высших гармоник и потерь мощности электроэнергии в в элементах сети под действием высших гармоник с учетом фактического нагрева токоведущих частей.

Исходя из поставленной цели, в работе решены следующие научные и практические задачи:

• Проведен анализ влияния высших гармоник тока и напряжения на элементы системы электроснабжения, а также существующих методов расчета высших гармонических составляющих;

• Исследована существующая приборная база для измерения и контроля качества электроэнергии;

• Составлен алгоритм расчета высших гармоник в сети, содержащей кабель и трансформатор с учетом фактического нагрева токоведущих частей;

• Разработана математическая модель расчета потерь мощности и энергии в сетях с нелинейной нагрузкой с учетом фактического нагрева токоведущих частей;

• Разработаны критерии учета температуры в расчетах потерь и определения допустимости тепловых режимов элементов сети;

• Разработаны методика расчета нестационарных тепловых процессов при несинусоидальных режимах СЭС и критерий ее применимости.

Объект исследования. Электроэнергетические системы и сети промышленных предприятий с нелинейными нагрузками.

Предметом исследования является влияние нелинейности температурной зависимости на распространение высших гармонических составляющих в электрических сетях, а также влияние указанной нелинейности на уровень потерь в сетях под действием высших гармоник.

Методы исследования.

При проведении работы использованы методы расчета электрических сетей, теоретической электротехники, вычислительной математики, линейной алгебры и математического анализа. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Вычислительные эксперименты и расчеты осуществлялись на алгоритмическом языке Object Pascal в среде Delphi (здесь и далее по тексту диссертационной работы следует учесть, что автор использовал лицензионную версию программного продукта компании Borland® Delphi 5 for Windows 98, 95 and NT, приобретенную для работы своих сотрудников Омским государственным техническим университетом. Serial Number 200-006-8505 SKU#HDB 1350WW10180-DELPHI5 Professional). Сравнение результатов математического моделирования с процессами в реальных электроэнергетических системах производилось на основании экспериментальных работ, произведенных с применением ИВК Омск-М.

Научная новизна.

• Предложены новая методика уточненных расчетов высших гармоник в промышленных сетях, потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом фактического нагрева токоведущих частей. Отличие предлагаемых в работе методов от ранее известных заключается в том, что они включают в себя расчеты температуры кабелей и обмоток трансформаторов и учитывают изменение активных сопротивлений этих элементов сети во времени;

• Получена математическая модель учета фактического нагрева при расчете несинусоидальности для кабелей и трансформаторов;

• Составлены и исследованы уравнения теплового баланса для кабелей и трансформаторов при расчете высших гармоник;

• Разработаны алгоритмы расчетов допустимости тепловых режимов в сетях с нелинейной нагрузкой.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Методика уточненного расчета высших гармоник, потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом фактического нагрева токоведущих частей;

• Алгоритм расчета высших гармоник в сети, содержащей кабель и- трансформатор с учетом фактического нагрева токоведущих частей;

• Уравнения теплового баланса для кабеля и трансформатора при несинусоидальных и несимметричных режимах;

• Методика расчета нестационарных тепловых процессов при несинусоидальных режимах СЭС и критерий ее применимости;

Практическая ценность.

Практической ценностью работы являются предлагаемые методы расчета потерь под действием высших гармонических составляющих, с учетом фактического нагрева, внедрение которых во многих случаях позволяет избежать ошибок при выборе мероприятий по снижению потерь в сети. Переход от методов расчета высших гармонических составляющих, не учитывающих нагрев, к методам, учитывающим нагрев, уточняет расчет потерь мощности и электроэнергии в элементах сети. Неучет нагрева токоведущих частей при несинусоидальных режимах СЭС может приводить к значительным погрешностям при расчете режимов, а также к ошибкам при выборе мероприятий по снижению потерь, неточности в технико-экономических расчетах. Решение вышеперечисленных задач в настоящее время имеют важный экономический аспект.

Разработан программно-вычислительный комплекс, основанный на предлагаемой методике, позволяющий рассчитывать высшие гармонические составляющие тока и напряжения, а также потери мощности и электроэнергии.

Разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный стенд, моделирующий трансформаторную подстанцию, питающую два вида нагрузки: линейную и нелинейную. Все измерения производятся при помощи измерительно-вычислительного комплекса Омск-М.

В первой главе рассмотрена общая характеристика существующих методов расчета высших гармонических составляющих в системах электроснабжения, а также сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе производится разработка уточненных методов расчета высших гармоник и потерь мощности в электроэнергетических системах учетом фактического нагрева токопроводящих частей элементов сети.

Элементы сети при расчете несинусоидальных режимов обычно представляются в виде схем замещения с линейными сопротивлениями и проводимостями. Однако в действительности часть этих сопротивлений и проводимостей являются нелинейными. Одним из видов этой нелинейности является нелинейность активных сопротивлений проводников вследствие температурной зависимости.

В третьей главе разработана методика расчета несинусоидальных режимов СЭС при нестационарных (неустановившихся) тепловых процессах в элементах сети. Разработан критерий применимости методик расчета стационарных и нестационарных тепловых процессов.

В четвертой главе производится разработка программно-вычислительного комплекса, позволяющего реализовать разработанную методику. Программа позволяет рассчитывать несинусоидальные режимы СЭС с учетом фактического нагрева при стационарных и нестационарных тепловых процессах.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением для теоретических выводов разработанного математического аппарата; качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных; апробацией как предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Энергетика на рубеже веков» Омск, 2003; международной научно-практической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2004; международной школе - семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2004; заседании кафедры «Системы электроснабжения предприятий» Новосибирского государственного технического университета, Новосибирск, 2005 г., заседаниях кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», включая секцию «Промышленная электроника» Омского государственного технического университета, Омск, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 111 наименований, приложений. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе: 25 иллюстраций и 7таблиц.

Выход

Рис. 4.9 Вывод результатов расчета

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целями и задачами исследований в диссертационной работе получены основные научные и практические результаты.

• Проведена оценка влияния нелинейности активного сопротивления вследствие температурной зависимости на генерацию, а также на распространение высших гармоник, генерируемых другими источниками.

• Предложены новая методика уточненных расчетов высших гармоник в промышленных сетях, потерь мощности и электроэнергии в элементах сети под действием высших гармоник с учетом фактического нагрева токоведущих частей. Отличие предлагаемых в работе методов от ранее известных заключается в том, что они включают в себя расчеты температуры кабелей и обмоток трансформаторов и учитывают изменение активных сопротивлений этих элементов сети во времени;

• Получена математическая модель учета фактического нагрева при расчете несинусоидальности для кабелей и трансформаторов;

• Составлены и исследованы уравнения теплового баланса для кабелей и трансформаторов при расчете высших гармоник;

• На основе разработанной методики составлены алгоритмы расчетов допустимости тепловых режимов в сетях с нелинейной нагрузкой.

• Рассмотрены возможности применения разработанного алгоритма к внедрению мероприятий по снижению потерь и компенсации высших гармоник. Показано, что применение данных методов позволяет избежать ошибок по определению ветвей с наибольшими потерями, в которых предполагается внедрить мероприятия по снижению потерь, и ошибок в определении расчетного снижения потерь, достигаемого за счет внедрения мероприятий; при этом расчеты показали, что имеют место быть случаи, когда учет нагрева дает возможность уточнить расчетное снижение потерь более чем на 40%.

• Определена область параметров режима, при которых учет нагрева является эффективным.

• Разработана методика расчета нестационарных тепловых процессов при несинусоидальных режимах СЭС и критерий ее применимости;

Разработанный на основе предложенных алгоритмов программный комплекс получил свидетельство об отраслевой регистрации разработки №3341 в отраслевом фонде алгоритмов и программ (приложение 3).

1. Авакумов В.Г. Информационное обеспечение процесса управления качеством электроэнергии // Повышение качества электрической энергии Тез. докл. - Киев: "Наукова думка", 1978. -С. 31-36.

2. Анисимов В.Е. Гармоники неканонических порядков в трехфазной мостовой несимметричной схеме // Известия ВУЗов СССР Электромеханика. 1972. -№10. - С. 10-11.

3. Ватин ГЛ., Крахмалин И.Г. Влияние качества электрической энергии на работу систем управления // Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях: Тез. докл. -М: "Знание". 1982.-С. 51-55.

4. Ю.Гиршин С.С Оптимизация потерь в промышленных электрических распределительных сетях с учеом нагрева проводников. Омск, 2001. Деп. в ВИНИТИ 5.07.01,№1608-В2001.

5. И.Гиршин С.С. Расчет потерь в обмотках силовых масляных трансформаторах с учетом нагрева. Омск, 2001. Деп. в ВИНИТИ 5.07.01, №1610-В2001.

6. Гиршин С.С. Расчет потерь в кабелях с учетом нагрева при их прокладке в земле. Омск, 2001. Деп. в ВИНИТИ 5.07.01,№1609 В2001.

7. Гиршин С.С. Расчет потерь в силовых кабелях с учетом нагрева при их прокладке на воздухе.

8. М.Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статистических преобразователей // Наука. 1968. - №5. -С. 15-18.

9. Городецкий Г.М. Расчет электрических сетей. М., Госэнергоиздат 1953. -346 с.

10. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. -Взамен ГОСТ13109-87; Введ. 21.11.97.-Минск: Изд-во стандартов, 1997-31 с.

11. ГОСТ 17544-93. Трансформаторы силовые масляные общего назначения классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1993. - 40 с.

12. Горюнов В.Н., Ощепков В.А., Осипов Д.С Контроль качества электрической энергии // Энергетика на рубеже веков. Сб. материалов научно-практической конференции. Омск: ОмГТУ 2003. С. 55-63.

13. Григорьев O.A., Петухов B.C., Соколов В.А., Красилов H.A. Влияние электронного оборудования на условия работы электроустановок зданий // Электрика. 2003. - №3 -С. 21-27.

14. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузкие. М: Энергоатомиздат, 1985. -112 с.

15. Жежеленко И.В. Анормальные гармоники, генерируемые вентильными установками электроприводов // Сб. Проблемы технической электродинамики. 1971. - вып. 31. -С. 15-18.

16. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий // М: МДНТП. 1975. -С.98-103.

17. Жежеленко И.В. Влияние потребителей на качество электроэнергии в сети и технические условия на его присоединение // Промышленная электроэнергетика. 1991. - №8. -С. 10-14.

18. Жежеленко'И.В. Подключение нелинейных нагрузок к основным сетям энергосистем // Электрические станции. 1974. - №10.-С. 1215.

19. Жежеленко И.В., Рабинович M.JL, Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника, 1981. -156 с.

20. Жежеленко И.В., Долгополов В.П. Комплексный подход к проблеме качества электроэнергии на предприятиях ЦБП // Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях: Тез. докл. -М: "Знание". 1982. -С. 31 -35.

21. Жежеленко И.В., Толпыго О.Б. Сопротивление явнополюсных синхронных двигателей высшим временным гармоникам тока// Известия ВУЗов СССР Электромеханика. - 1969. -№6. -С.8-12.

22. Жежеленко И.В., Рабинович М.Л., Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника, 1981.-160 с.

23. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. -М: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

24. Железко Ю.С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнергии // Промышленная энергетика. 2003. - №6 -С. 42-50.

25. Железко Ю.С. Принципы и расчетные формулы нормативного планирования потерь электроэнергии в электрических сетях// Электрические станции. 1990. - № 11. -С. 28-31.

26. Железко Ю.С. Методы расчета нормативных характеристик сетей по потерям электроэнергии // Электрические станции. 1991. - №8 -С. 8-11.

27. Железко Ю.С. Стратегия снижения потерь и повышение качества электроэнергии в электрических сетях // Электричество. 1995. -№5.-С. 10-14.

28. Железко Ю.С. Влияние потребителя на качество электроэнергии в сети и технические условия на его присоединение // Промышленная энергетика. 1991. - №8. -С. 6-10.

29. Железко Ю.С., Малхасьянс К.Б., Плотников Г.А. Состояние и перспективы нормативного планирования потерь электроэнергии в сетях энергосистем // Электрические станции. 1992. - №10. -С. 6-9.

30. Железко Ю.С., Савченко О.В. Расчет потерь электроэнергии в энергосистемах с реверсивными связями // Электричество. 1995.- №3. -С. 11-15.

31. Железко Ю.С., Артемьев A.B., Бирюков Р.П. Анализ потерь электроэнергии в сетях энергосистем и расчет экономических значений реактивной мощности, передаваемой в сети потребителей // Электрические станции. 1990. - №7. -С. 5-9.

32. Железко Ю.С., Кордюков Е.И. Высшие гармоники и напряжения обратной последовательности в энергосистемах Сибири и Урала // Электричество. 1995. - №5. -С. 10-14.

33. Железко Ю.С., Никифорова В.Н. Электрическая энергия высокое качество. // Стандарты и качество. - 1979. - №10. -С.21-24.

34. Зиновьев Г.С. Итоги решения некоторых проблем совместимости вентильных преобразователей // Электротехника. 2000. -№11.-С. 8-13.

35. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей // Новосибирск: НГУ. 1990.

36. Иванов B.C. Оценка несинусоидальности в сетях, питающих вентильные преобразователи. Оптимальные режимы систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1973. - 234 с.

37. Каневский Я.М. Расчет параметров схемы замещения трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения // Электричество. 2001.-№ 2.-С. 19-23.

38. Карпов Е.А., Кимчук В.А. Расчет емкости конденсаторной батареи в схеме силового фильтра высших гармоник // IV Всесоюзн. сов. по качеству электрической энергии. Винница: Тез. докл. Киев: ФОЛ Института электродинамики АН УССР, 1978. - Ч. 4. - С. 72-75.

39. Карпов Ф.Ф., Солдаткина JI.A. Регулирование напряжения в электросетях промышленных предприятий. -М: Энергия, 1970.-223 с.

40. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятников С.Ю., Гук JI.JI. Способ инструментального выявления источников искажения напряжения и определение их влияния на качество электроэнергии // Электричество. 2001. - №3. -С. 6-8.

41. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии // Электричество. 2000. - №4. -С. 18-24.

42. Клейн П.Н. Выбор кабелей с учетом постоянной времени нагрева. Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. М.: Энергия, 1965. - 24 с.

43. Колесниченко Б.В. Вероятностное моделирование режимов напряжения в сетях до 1000 В. // IV Всесоюзн. сов. по качеству электрической энергии. Винница: Тез. докл. Киев: ФОЛ Института электродинамики АН УССР, 1978. - Ч. 3. - С. 74-77.

44. Копылов И.П. К определению динамических энергетических показателей при несинусоидальном несимметричном напряжении // Изв. АН. Энергетика. 2001. -№3. -С.12-14.

45. Копытов Ю.В., Чуланов Б.А. Экономия энергии в промышленности: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 112 с.

46. Костенко М.П., Нейман JI.P., Блавдзевич Г.Н. Электромагнитные процессы в системах с мощными выпрямителями // АН СССР. -1946.

47. Крайчик Ю.С. Представление реального режима работы преобразователя в виде наложения более простых режимов // Известия НИ-ИПТ. 1970.-№16.-С. 18-23.

48. Круг К.А. Электромагнитные процессы в установках с управляемыми ртутными вентилями // ОНТИ. 1935.

49. Кудрин Б.И., Лосев Э.А. Учет качества электроэнергии при расчете надежности схем электроснабжения. // Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях: Тез. докл. -М: "Знание". 1982. -С. 129-132.

50. Кузнецов В.Г. Энергетические процессы в многофазных цепях при наличии несимметрии и высших гармоник // Повышение качества электрической энергии Тез. докл. Киев: "Наукова думка", 1978.-С. 24-31.

51. Кутузов С.И. Взаимная компенсация гармоник, вносимых в автономную энергосистему статическими и электромеханическими преобразователями // Электричество. 2002. - №3. -С. 47-52.

52. Кутузов С.И. Особенности ограничения высших гармоник, вносимых в автономную энергосистему синхронной машиной // Электричество. 1996. - №3. -С. 14-22.

53. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -Издание третье перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.

54. Липский A.M. Аппаратурный контроль показателей качества электроэнергии в сетях с резкопеременными нагрузками // Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях: Тез. докл. -М: "Знание". 1982. -С. 151-155.

55. Монастырский A.M. Методика расчетов, связанных с несинусоидальностью токов и напряжений в энергосистеме // Электрические станции. 1969. - №5. -С. 43-44.

56. Николаев М.Ю., Осипов Д.С. Проблема качества электрической энергии и некоторые пути ее решения в современных СЭС. Омск 2004. Деп. в ВИНИТИ 22.09.04 №1496-В2004

57. Осипов Д.С. Моделирование систем электроснабжения, содержащих нелинейные нагрузки.// Ощепков В.А., Тевс В.В., №3341 зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов и программ. 2004.

58. Осипов Д.С. Расчет несинусоидальных режимов систем электроснабжения с учетом тепловых процессов в элементах сети.// Динамика систем, механизмов и машин. Сб. материалов международной научно-практической конференции. Омск: 2004. С. 257-260.

59. Основы кабельной техники. Под ред. В.А. Привезенцева. Изд. 2-е, перераб. И доп. М.: Энергия, 1975. - 472 с.

60. Папалекси Н.Д. Собрание трудов АН СССР, 1948.

61. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями // Энергия. 1975. -№8. С. 5-8.

62. Поссе A.B. Общие зависимости, характеризующие работу многофазных преобразователей // Электричество. 1963. - №5. -С. 19-32.

63. Поссе A.B. Схемы и режимы электропередач постоянного тока // Энергия. 1973. -№3. С. 3-8.

64. Поспелов Г.Е., Ершевич В.В. Влияние температуры проводников на потери электроэнергии в активных сопротивлениях проводов воздушных линий электропередачи// Электричество. 1973. - №10. -С.81-83.

65. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. / Под ред. Г.Е. Поспелова. М.: Энергоатомиздат, 1981. -216с.

66. Розенов В.И. Устройство для измерения полных гармонических сопротивлений в электрических системах с нелинейными и несимметричными нагрузками. Авт. свид. № 851284, БИОТЗ, 1981, № 28.

67. Розенов В.И. Накопитель информации для спектрального анализа НИАС // Приборы и техника эксперимента. 1982. - №1. -С. 247-249.

68. Розенов В.И. Прибор для автоматизации гармонического анализа в электрических системах с нелинейными нагрузками. Информационный листок ЦНТИ, № 129-80, Омск, 1980. -2 с.

69. Розенов В.И., Шмагунов С.П., Монич A.B. Устройство для регистрации аналоговых сигналов на перфоленте // Приборы и техника эксперимента. 1981. -№2. -С. 257-260.

70. Розенов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк A.A., Гринберг Р.П. Силовая электроника и качество электроэнергии // Электротехника.2002.-№2.-С. 16-22.

71. Розенов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк A.A. Современные методы регулирования качества электрэнергии средствами силовой электроники // Электротехника. 1999. - № 4. -С. 36-38.

72. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию в 2 т. Т.2. Электрооборудование / Под оющ. Ред. А.А Федорова. М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 592 с.

73. Тевс В.В., Осипов Д.С. Программно-вычислительный комплекс для моделирования высших гармоник в СЭС с существенной нелинейностью/ Энергосбережение теория и практика. Сб. материалов международная школы-семинара молодых ученых. Москва 2004 г.

74. Тигунцев С.Г., Луцкий И.И. Определение и учет вклада потребителя в качество электрической энергии // Промышленная энергетика.2003. №7 -С. 40-45.

75. Фархадзе Э.М., Гулиев Г.Б. Расчет показателей несинусоидального режима узла нагрузки // Электричество. 2002. - №8. -С. 42-44.

76. Федоров A.A., Гераскин О.Т. Современный метод расчета обобщенных параметров для сложных схем замещения промышленных предприятий //Труды МЭИ. 1969.

77. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. "Мир", 1968.

78. Шидловский А.К., Котенев Ф.А. Исследование параметров электрической энергии, обеспечивающих эффективное ведение электротехнологических процессов // Повышение качества электрической энергии Тез. докл. Киев: "Наукова думка", 1978.-С. 3-24.

79. Ainsworth G. Harmonic instability between controlled static converters' and a.c. networks. Eng., 1971, 18, №5.

80. Ainsworth G. Harmonic instability between controlled static converters and a.c. networks. Eng., 1967, 14, №7.

81. Bochanky L. Kondensatoren in Anlagen der Energiekombinate // Energietechnik. 1989. - № 10. - S. 379-382.

82. Bochanky L. Modellansatz für einen optimallen Blindleitungshaushalt // Energietechnik. 1989. - № 4. - S. 146-149.

83. Kindler H., Löbl H. Zur thermishen Zeitkonstante elektrotechnischer Betriebsmittel // Elektrie. 1984. - № 3. - S. 92-93.

84. Kinsler K., Kornas T., Wilczynski A. Spannungsabweichungen und ihre Auswirkungen auf die Ökonomie von Industriebetrieben// Energietechnik. 1986. - № 5. - S. 180-182.

85. Muschik E., Long T., Diebels W.-D. Zur Blindleitungskompensation in ländlichen Netzen mit bewerterer Spannungsqualität// Elektrie. 1981. - № 7. - S. 371-373.

86. Näumann K. Gestaltung der dezentralen Regelung und Steuerung von Spannung und Blindleistung// Energietechnik. 1986. - № 5. - S. 162-164.

87. Optimal reaktive power compensation in industrial networks using linear programming technique / Rajakovic N., Tosic D. // Fanta univ. Ser. Elektron, and Energ. / Univ. Nis. 1993. -6. - S. 115-123.

88. Phadhe A., Harlow G. Generation of abnormal harmonics in highvoltage a.c.-d.c. power systems. LEEE, Power Appear, and Syst., 1968, №3.

89. Rausendorf S. Anwendung der Linearoptimierung bei der zuverlässigkeitsorientierten Optimierung des elektrischen Regimes // Elektrie. 1986. - № 4. - S. 141-145.

90. Reeve G., Baron G. Harmonie interaction between HVDC converters and a.c. power systems. LEEE, Power Appear, and Syst., 1971, №6.

91. Reeve G., Baron G. Harmonie d.c. line voltages arising from HVDC power conversion. LEEE, Power Appear, and Syst., 1970, №7.

92. Reeve G., Krishnayyn P.C.S. Unusual current harmonics arising from high-völtage d.c. transmission. LEEE, Power Appear, and Syst., 1968, №3.

93. Susena-Paiva g., Hernander R., Freris L. Stability study of controlled rectifiers using a new discrete model. Efect. Eng., 1972, 119, №9.

94. Weppering F.-R. Die systemgerechte Blindleitungsfahrweise in Verteilungsnetzen // Energietechnik. 1986. - № 5. - S. 164-165.