Повышение эффективности работы систем электроснабжения на основе совершенствования моделей силовых трансформаторов и кабелей

Актуальность работы.

Нагрузочная способность является одним из важнейших показателей эффективности работы любой системы электроснабжения. Силовые трансформаторы и кабели являются основными элементами систем электроснабжения.

Значения допустимых перегрузок и их продолжительность, а, следовательно, мощность трансформаторов и сечения кабелей рассчитываются с учетом допустимого нагрева активных частей, определяемого классом нагре-востойкости применяемой изоляции. До настоящего времени не разработаны простые и надежные устройства, обладающие достаточной точностью и надежностью, для непосредственного определения температуры токоведущих частей высоковольтных трансформаторов и кабелей. Поэтому, нагрузки на силовые трансформаторы и кабели ограничивают значениями допустимых перегрузок, полученных на основе математического моделирования тепловых процессов. Точность моделирования нестационарных тепловых процессов определяет величину допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелей, влияет на эффективность и надежность работы всей системы электроснабжения.

Особенно остро этот вопрос стоит при определении нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Д) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6−20 кВ.

Существующие алгоритмы расчетов нагрузочной способности силовых трансформаторов с естественной (М) и принудительной (Д) циркуляцией воздуха, а также силовых кабелей напряжением 6−20 кВ созданы на основе алгоритмов, разработанных по упрощенным тепловым моделям. Для совершенствования тепловых моделей требуется разработка новых алгоритмов расчета нестационарных тепловых режимов работы элементов систем электроснабжения и их допустимой нагрузочной способности.

Дальнейшее повышение точности математических моделей (расчет тепловых полей) требует использования большего числа дополнительных конструктивных параметров силовых трансформаторов и кабелей, что заставляет инженеров обращаться за информацией к заводам изготовителям, а это не всегда возможно, особенно для снятого с производства, но находящегося в эксплуатации электрооборудования. На данном этапе появляется новая задача, связанная с разработкой рациональных математических моделей элементов систем электроснабжения, позволяющих увеличить точность моделирования тепловых процессов элементов электроснабжения при использовании доступных исходных данных.

Существующие методы косвенного контроля допустимых нагрузок трансформатора созданы для старого ГОСТ-14 209−69 «Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки» .

Реализация полученных алгоритмов моделирования тепловых процессов в виде прикладных программ позволит более широко применять их для расчета нагрузочной способности элементов систем электроснабжения в условиях их эксплуатации. Использование предлагаемых в диссертации технических решений и алгоритмов позволит повысить точность расчета температуры обмотки микропроцессорными терминалами защит трансформаторов. Это позволит улучшить режимы работы систем электроснабжения. В работе предложены корректировки ГОСТ-14 209−97 «Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов» .

Целью работы является повышение эффективности работы системы электроснабжения за счет увеличения точности расчетов нагрузочной способности, на основе совершенствования тепловых математических моделей силовых трансформаторов и силовых кабелей.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— разработка предложений по уточнению математических моделей силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д, предложенной в ГОСТ 14 209–97, и силовых кабелей 6−20 кВ;

— разработка алгоритмов расчета допустимых нагрузочных способностей силовых трансформаторов и силовых кабелей;

— проведен анализ влияние введенных уточнений на расчетную величину допустимых перегрузок силовых трансформаторов и кабелей;

— полученные алгоритмы реализованы в виде пакета прикладных программ и баз данных;

— проведены комплексные исследования, связанные с определением ограничивающих параметров допустимой перегрузки трансформаторов (максимально допустимой температуры изоляции обмоток, максимально допустимой температуры масла в верхних слоях, относительным износом изоляции) от конструктивных параметров трансформаторов, продолжительности перегрузки и температуры охлаждающей среды;

— предложены корректировки косвенных методов регулирования допустимых перегрузок трансформаторов, связанных с изменением требований к допустимым тепловым режимам работы силовых трансформаторов в ГОСТ-14 209−97;

— проведены исследования зависимости допустимых перегрузок от термических параметров грунтов и способа прокладки силовых кабелей.

Методы исследования. Исследования в диссертационной работе осуществлялись на основе математического моделирования тепловых нестационарных процессов в элементах электроснабжения. Моделирование производилось на базе решения дифференциальных уравнений методом Эйлера. Допустимые нагрузочные способности элементов электроснабжения определялись при помощи численного метода (метод секущих). Определение оптимальных значений параметров, зависящих от конструкции трансформатора производилось при помощи метода прямого поиска оптимума Розенброка и Пауэла. Определение значений термических параметров грунта производилось методом сплайн интерполяции.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждается сходимостью результатов полученных в результате теоретических исследований с экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях на реальном оборудовании ОАО «Кубаньэнер

Научная новизна заключается в следующем:

— разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д;

— в разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях 6−20 кВ;

— в проведении комплексного аналитического исследования влияния ограничивающих параметров (согласно требований ГОСТ 14 209–97) на допустимые систематические и аварийные перегрузки силовых трансформаторов;

— в проведении аналитического исследования влияния параметров тепловой модели, зависящих от конструктивных данных трансформатора, на допустимые перегрузки трансформаторов;

— в разработке косвенного метода контроля допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторовопределение режимов работы, при которых погрешность данного метода будет минимальна;

— разработке метода выбора оптимальной величины номинального перегрева масла трансформатора над температурой охлаждающей среды для получения максимальной нагрузочной способности трансформатора, для заданных условий его работы;

— в проведении аналитического исследования влияния уточнений, введенных в тепловую модель силового кабеля, на допустимые перегрузки;

— в разработке алгоритма расчета термического сопротивления грунта и его теплоемкости с учетом зависимости удельных термических характеристик прилегающих слоев грунта от температуры при продолжительных перегрузках силового кабеля.

Практическая ценность и значение работы заключается:

— в разработке алгоритмов защиты трансформатора от перегрева и его практической реализации для микропроцессорных терминалов защит трансформатора;

— в разработке косвенных методов контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов.

— в разработке пакета прикладных программ для моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях, предназначенного для решения следующих задач: текущего контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов и кабелейрасчета допустимых систематических и аварийных перегрузокопределения нагрузочной способности, вызванной изменением условий эксплуатации или конструктивных параметров элементов системы электроснабжениямодернизации систем электроснабжения предприятий.

— в использовании теоретических и методических положений диссертационной работы в учебном процессе при изучении дисциплин «Внутризаводское электроснабжение «Электрооборудование», в дипломном и курсовом проектировании.

Внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы моделирования тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях реализованы в виде самостоятельных прикладных программ и внедрены в Армавирских электросетях ОАО «Кубаньэнерго», в МП «Армавиргорэлектросети» (применяются для расчета допустимых нагрузок при ремонтных и аварийных режимах работы систем электроснабжения), в ОАО «Армавирский электротехнический завод» (при модернизации системы электроснабжения).

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на второй всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» посвященной 70-летию кафедры электротехники и электрооборудования Тульского государственного университета, Тула, 2002 г.- первой межвузовской научно-практической интернет конференции «Энерго-и ресурсосбережение XXI века», Орел, 2002 г.- Межвузовской научно-практической конференции, Армавир 2003 г.- второй межвузовской научной конференции, Краснодар 2003 г.- на научно-практических семинарах «Разработка алгоритмов программ и моделей электрооборудования, процессов и систем управления предприятий» кафедры ВЭА АМТИ 2001, 2002, 2003, 2004 гг.- Международной научно-практической интернет конференции «Алгоритмы и программы процессов и систем управления электрооборудованием и электрохозяйством», Армавир 2004 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации: 160с., 99 рисунков, шесть таблиц и два приложения.

Выводы.

В результате проведенной работы были получены следующие результаты.

— Разработанный алгоритм реализован в виде прикладной программы и опробован на рабочем месте инженера для расчета допустимых перегрузок электрооборудования.

— Разработанная база данных параметров силовых кабельных линий с учетом всех необходимых паспортных данных для расчета допустимой нагрузочной способности является универсальной и может быть применена для решения как производственных, так и для научных задач.

— На основании разработанной программы произведены исследования зависимости допустимой систематической и аварийной перегрузки от, ее величины и продолжительности, температуры охлаждающей среды, условий совместной прокладки нескольких кабелей в одной траншее, а также от тепловых свойств грунта, в котором проложен кабель.

— Разработана упрощенная тепловая модель и предложена ее техническая реализация в микропроцессорных терминалах защит трансформатора типа «RET» .

— Анализ данных полученных во время экспериментов показывает, что уточненные модели дают меньшую погрешность.

— Расчет экономической эффективности внедрения полученных результатов диссертационного исследования показывает экономию до 64 т.р. на 100 трансформаторов в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проделанной работы посвященной корректировки математических моделей и разработки на их основе алгоритмов моделирования нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях, в рамках проведенных исследований получены следующие результаты.

1. Экспериментально установлено, что погрешность расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д методом ГОСТа достигает 8%, уточненным методом — 3%.

2. Использование в существующей модели силовых трансформаторов предложенных уточнений приводит к разнице вычислений нагрузочной способности достигающей 11%, при этом метод ГОСТа дает завышенные допустимые перегрузки.

3. Экспериментально установлено, что погрешность расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях существующим методом достигает 18−20%, уточненным — 5−9%.

4. Использование в существующей модели силовых кабелей предложенных уточнений приводит к разнице вычислений нагрузочной способности, достигающей 6%, при этом допустимые перегрузки, рассчитанные существующим методом, как завышают допустимую нагрузку во время продолжительных перегрузках, так и занижают ее при продолжительности перегрузок менее одной постоянной времени нагрева кабеля.

5. В результате комплексных исследований эксплуатационных режимов работы трансформатора установлено, что температура масла в верхних слоях во время перегрузки не достигает своей максимально допустимой величины раньше максимально допустимой температуры обмотки. Поэтому это ограничение при расчетах допустимых перегрузок можно не учитывать.

6. Погрешность разработанного метода по косвенному контролю допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторов, для определенных режимов работы, не превышает 3%.

7. Использование косвенного метода контроля допустимых систематических перегрузок по показаниям термосигнализаторов может приводить к погрешности регулирования более 20% при значениях предварительной загрузки К] > 0,8, из-за не учета эти методом относительного износа изоляции.

8. Разработанный метод выбора оптимальной величины Эм.в.с.ном для получения максимальной перегрузочной способности (для заданных параметров перегрузки) позволяет повысить нагрузочную способность силовых трансформаторов до 10%.

9. Установлено, что термическое сопротивление прилегающих к кабелю слоев грунта при продолжительных перегрузках изменяется до 17%, уменьшая допустимую перегрузку кабеля на 11%.

10. Экспериментально доказана эффективность использование пакета программ по определению допустимых нагрузок трансформаторов на предприятии ОАО «Кубаньэнерго» .