Состояние вопроса о взаимосвязи перегрузочных способностей
реклама
На правах рукописи ЛЫКОВ Алексей Алексеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И КАБЕЛЕЙ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Краснодар - 2007 2 Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Куроедов Валентин Иванович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Александрович доктор физико-математических профессор Демехин Евгений Афанасьевич Ведущая организация: наук, ОАО "Армавирский электротехнический завод" Защита диссертации состоится 30 октября 2007 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в Кубанском государственном технологическом университете (350000, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4 ауд № 410) С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2 Автореферат разослан 29 сентября 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.100.06, кандидат технических наук, доцент Л.Е. Копелевич 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 нагревостойкости 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 4 точность моделирования тепловых процессов элементов электроснабжения при использовании доступных исходных данных. Существующие методы косвенного контроля допустимых нагрузок трансформатора созданы для старого ГОСТ–14209-69 "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–14209-97 "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 14209-97, 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-14209-97; 5 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 "Кубаньэнерго". Научная новизна заключается в: разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах систем охлаждения М и Д; разработке уточнений математической модели и на ее основе алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в силовых кабелях 6-20 кВ; проведение комплексного аналитического исследования влияния ограничивающих параметров (согласно требований ГОСТ 14209-97) на допустимые систематические и аварийные перегрузки силовых трансформаторов; разработке косвенного метода контроля допустимых аварийных перегрузок трансформатора по показаниям стационарных термосигнализаторов; определение 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; проведение аналитического исследования влияния уточнений, введенных в тепловую модель силового кабеля, на допустимые перегрузки; разработке алгоритма расчета термического сопротивления грунта и его теплоемкости с учетом зависимости удельных термических характе- 6 ристик 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; разработке косвенных методов контроля допустимых нагрузок силовых трансформаторов. 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 кабелей; расчета допустимых систематических и аварийных перегрузок; определения нагрузочной способности, вызванной изменением условий эксплуатации или конструктивных параметров элементов системы электроснабжения; модернизации систем электроснабжения предприятий. 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, 2002г.; первой межвузовской научно-практической интернет конференции "Энерго-и ресурсосбережение XXI века", Орел, 2002г.; Межвузовской научнопрактической конференции, Армавир 2003г.; второй межвузовской научной конференции, Краснодар 2003г.; на научно-практических семинарах "Разработка алгоритмов программ и моделей электрооборудования, процессов и систем управления предприятий" кафедры ВЭА АМТИ 2001, 7 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., 100 рисунков, шесть таблиц и два приложения. Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи диссертации, показана новизна работы и ее практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту, охарактеризована структура диссертации. В первой главе рассматривается состояние вопроса совершенствования математических тепловых моделей элементов системы электроснабжения. Рассматривается история развития и актуальность вопросов, связанных с математическим моделированием нестационарных тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях. Проанализированы основные недостатки математических моделей и расчетов, связанных с определением нагрузочной способности элементов системы электроснабжения. Рассмотрены основные направления по повышению точности расчетов на основе уточнения математических моделей и разработке на их основе алгоритмов расчета допустимых величин нагрузок системы электроснабжения. Во второй главе приводится математическое описание предлагаемых уточнений тепловой модели силовых трансформаторов. В главе дается описание уточненной математической модели и алгоритма расчета нестационарных тепловых процессов в трансформаторе. Приводится анализ влияния введенных уточнений на температурный режим работы трансформатора и соответственно на его нагрузочную способность. Наибольшее распространение в распределительных электросетях получили трансформаторы с системами охлаждения М и Д. Вступившее в силу в 2002 г. новое издание ГОСТ 14209-97 дает лишь общие рекомендации по уточнению тепловой модели трансформаторов с этими системами охлаждения. Предложенная в ГОСТ 14209-97 тепловая модель трансформаторов систем охлаждения М и Д не учитывает следующие физические процессы, происходящие в трансформаторе при нестационарных тепловых процессах: изменение температуры элементов трансформатора при неустановившихся тепловых процессах происходит по нелинейным зависимостям; 8 температура обмотки обладает своей тепловой инерционностью и изменяется по нелинейной зависимости; потери в обмотках зависят от их электрического сопротивления и изменяются в зависимости от температуры обмоток; воздействие температуры охлаждающей среды на температурный режим работы силового трансформатора происходит с учетом его постоянной времени нагрева; системы охлаждения трансформаторов работают в автоматическом режиме и включаются при достижении заданных параметров температуры масла и нагрузки. метод расчета температурного режима работы силового трансформатора не учитывает реальный график нагрузки, а его эквивалент в виде двухступенчатого прямоугольного графика нагрузки. В настоящее время предлагаются следующие уточнения тепловой модели силовых трансформаторов систем охлаждения М и Д: определять значения постоянной времени нагрева трансформаторов – , ч позволяющие получить экспоненциальную кривую, у которой начальный наклон и конечное превышение температуры будут соответствовать реальной нелинейной кривой, а промежуточные значения превышения температуры при переходном процессе будут незначительно отличаться от действительных; использовать постоянную времени нагрева обмотки – ОБ, ч при кратковременных бросках нагрузки для расчета температуры обмотки и корректировать ее величину в зависимости от нагрузки для получения действительной кривой изменения температуры; применять в итерационных методах расчета температурного режима работы трансформатора коэффициент изменения омических сопротивлений обмоток для расчетной температуры – ; использовать температуру охлаждающей среды при расчете температурного режима работы с учетом постоянной времени нагрева трансформатора – ВI, оС; производить расчет нагрузки для каждого нагрузочного режима работы трансформатора. В комплексе все выше перечисленные уточнения до настоящего времени не были использованы в связи с отсутствием широкого распространения вычислительных средств для реализации сложных итерационных алгоритмов. В диссертационной работе получена тепловая модель силового трансформатора учитывающая выше перечисленные уточнения. Кроме этого ав- 9 тором предложено учитывать автоматику включения обдува радиаторов в расчетах нестационарного теплового режима работы трансформаторов систем охлаждения Д, так как включение принудительного воздушного охлаждения радиаторов влияет на величину коэффициентов теплоотдачи масляной ванны и обмотки. Ниже приводятся основные уточненные формулы итерационного теплового расчета силового трансформатора. Для любого i-го интервала времени температуру масла в верхних слоях М.В.С.i, оС, можно определить по формуле M .В.С M .В.С ВI , (1) где ВIi– температура воздуха, оС с учетом тепловой инерционности трансформатора для i-го интервала времени; i – номер текущего интервала времени, i-1 – номер предыдущего интервала времени; М.В.С.i – перегрев масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды для i-го интервала времени, оС. Температура воздуха, с учетом тепловой инерционности трансформатора для i-го интервала времени определяют по формуле i ВIi i i t t i Вi 1 е ВIi1 е i , (2) где t – длительность интервала времени через который будет производиться пересчет теплового режима трансформатора, ч. i – постоянная времени нагрева трансформатора, ч, для i-го интервала времени. Для любого i-го интервала времени перегрев масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды М.В.С.i, оС, определяется по формуле m t t 1 d i 1 Кi 2 i i M .В.Сi M .В.С .НОМ (3) 1 е M .В.Сi1 е , 1 d где Кi – коэффициент загрузки трансформатора во время текущего интервала времени (отношение текущей нагрузки трансформатора к номинальной); К1 – коэффициент начальной нагрузки трансформатора – отношение эквивалентной начальной нагрузки к номинальной; К2 – коэффициент перегрузки – отношение эквивалентного максимума нагрузки к номинальной мощности трансформатора; d – отношение потерь короткого замыкания – РКЗ, кВт к потерям холостого хода – РХХ, кВт при номинальной нагрузке трансформатора; 10 m – коэффициент, определяемый экспериментально для температуры масла трансформатора, который зависит от вида охлаждения трансформатора и конструкции охлаждающей системы; М.В.С.НОМ – перегрев верхних слоев масла над температурой охлаждающей среды при номинальной загрузке трансформатора, оС. Перегрев наиболее нагретой точки обмотки над маслом в верхних слоях масла, О.М.ННТ.i, оС для i-го интервала времени t t ОБi ОБi О.М .ННТi О.М .ННТ .НОМ К i 1 1 е О.М .ННТ i1 е , (4) где ОБi – постоянная времени нагрева обмотки трансформатора, ч, для i-го интервала времени; n – коэффициент, определяемый экспериментально для температуры обмотки трансформатора, который зависит от вида охлаждения трансформатора и конструкции охлаждающей системы. О.М.ННТ.НОМ – перегрев наиболее нагретой точки обмотки над температурой верхних слоев масла при номинальной загрузке трансформатора, оС. Температура наиболее нагретой точки обмотки для i-го интервала времени О.ННТ.i, оС определяется по формуле О.ННТ О.М .ННТ M .В.С ВI , (5) Относительный износ изоляции для каждого момента времени Fi определяется по следующей формуле 2 i i 1 Fi t i t 2 i n i О . ННТ ( t ) Б dt , (6) 0 где Б – температура наиболее нагретой точки обмотки, оС при которой срок службы трансформатора равен номинальному. Также в главе приведен анализ влияния уточнений, вводимых в тепловую модель силового трансформатора, на его нагрузочную способность. Анализ моделей показывает, что перегрузки, рассчитанные при помощи модели ГОСТа, независимо от величины продолжительности перегрузки завышены относительно перегрузок полученных при помощи уточненной модели. Погрешность расчетов перегрузок, полученных при помощи метода ГОСТа, относительно уточненного достигает 11%. График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок от продолжительности перегрузки представлен на рисунке 1. Форма графика объясняется тем, что при увеличении продолжительности перегрузки ее допустимую величину начинает ограничивать не максимально допустимая температура обмотки, а допустимый износ изоляции. При этом зависимость величины допустимой перегрузки от величины 11 предварительной загрузки увеличивается. При расчете уточненным методом этот переход ограничивающих параметров начинается при меньших продолжительностях перегрузки, чем при расчете при помощи метода ГОСТа. Из-за разности времени наступления этого перехода величина погрешности имеет свой максимум. При этом при увеличении продолжительности перегрузки максимум величины погрешности наступает при меньших коэффициентах предварительной загрузки трансформатора. Погрешность Погрешность расчетов зависит от параметров трансформатора, величины и продолжительности перегрузки и изменяется от 4 до 11%. % ч t К1 о.е. Рисунок 1 – График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок, от продолжительности перегрузки Анализ проведенных исследований влияния введенных уточнений в тепловую модель позволяет сделать вывод о том, что последние оказывают на расчетную нагрузочную способность значительное влияние и неучитывание их может приводить к недопустимым перегревам обмоток силового трансформатора. В третьей главе на основании проведенных исследований проведен анализ косвенного метода регулирования допустимой систематической перегрузки трансформатора. Определены зависимости величины погрешности данного метода от величины параметров перегрузки и температуры окружающей среды. Показаны режимы работы трансформатора, когда данный метод применять нельзя из-за большой его погрешности определения допустимых перегрузок. Предложен метод косвенного контроля величины допустимой аварийной перегрузки и определены условия работы трансформатора когда предложенный метод будет иметь минимальную погрешность. 12 Разработан метод выбора величины номинального перегрева масла для получения оптимальной перегрузочной способности (для заданных параметров перегрузки). В главе приводится анализ влияния введенных уточнений как на температурный режим работы трансформатора, так и на величину его нагрузочной способности. Проведен анализ влияния продолжительности перегрузки, температуры окружающего воздуха, конструктивных параметров силового трансформатора на его нагрузочную способность. На основании скорректированной тепловой модели разработан алгоритм расчета нестационарных тепловых процессов в силовом трансформаторе. При помощи математического моделирования тепловых процессов произведено исследование влияния ограничивающих параметров теплового режима работы трансформатора на допустимые нагрузки трансформатора. Расчет величины допустимых перегрузок К2 и их продолжительности t, ч является многокритериальной задачей, так как на нестационарный тепловой режим работы трансформатора накладывается ограничения связанные с максимально допустимой температурой обмотки, масла и относительным износом изоляции. Для проведения анализа влияния ограничивающих параметров на величину допустимой перегрузки рассчитываются коэффициенты допустимой перегрузки для каждого ограничивающего параметра. К2.ИЗН. – коэффициент допустимой перегрузки, при котором относительный износ изоляции будет равен номинальному. К2.М.В.С.С и К2.М.В.С.А – коэффициенты допустимой перегрузки, при которых температура верхних слоев масла равняется максимально допустимой температуре для систематических и, соответственно, для аварийных перегрузок. К2.О.ННТ.С и К2.О.ННТ.А – коэффициенты допустимой перегрузки, при которых температура наиболее нагретой точки обмотки равняется максимально допустимой температуре для систематических и, соответственно, для аварийных перегрузок. Определение допустимых перегрузок производится численным методом – "метод секущей" из-за невозможности получения аналитического решения. От конструктивного исполнения, вида охлаждения трансформатора зависит величина установившегося превышения температуры масла над температурой окружающей среды при номинальных условиях работы трансформатора М.В.С.НОМ, оС. Для одной и той же мощности трансформаторов, в зависимости от конструктивного исполнения, величина М.В.С.НОМ может иметь разные значения. При анализе влияния параметров нестационарной тепловой модели силового трансформатора на его нагрузочную способность была выявлена зависимость между максимальной величиной перегрузочной способности и величиной номинального перегрева температуры масла в верхних слоях 13 М.В.С.НОМ, оС. График зависимости коэффициентов, ограничивающих допустимые перегрузки от величины М.В.С.НОМ, представлен на рисунке 2. К2.М.В.С.С К1 К2.ИЗН. о.е. К2.О.ННТ.С К2 о.е. о С М.В.С.НОМ Рисунок 2 – График зависимости параметров, ограничивающих допустимую перегрузку, от изменения величины М.В.С.НОМ Анализ графика показывает, что при увеличении номинального перегрева температуры масла нагрузочная способность трансформатора возрастает и достигает своей максимальной величины при пересечении в одной точке значений всех трех ограничивающих параметров, график представлен на рисунке 3. о.е. о.е. Рисунок 3 – График зависимости параметров, ограничивающих допустимую перегрузку, для величины М.В.С.НОМ = 61,5 оС Этот режим работы трансформатора характеризует одновременное максимальное использование всех ограничивающих параметров, связанных с максимальными температурами обмотки и масла, а также величиной от- 14 носительного износа изоляции. При дальнейшем увеличении величины перегрева масла нагрузочная способность трансформатора уменьшается. Это объясняется тем, что величины М.В.С.НОМ и О.М.ННТ.НОМ взаимосвязаны и при увеличении номинального превышения температуры масла над окружающей средой происходит уменьшение номинального превышения перегрева наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях. Для определения оптимальной величины при которой нагрузочная способность будет максимальна, используется алгоритм прямого поиска оптимума. Для определения максимума нагрузочной способности используется метод "Розенброка и Пауэла", который относится к разновидности циклического покоординатного спуска. В качестве целевой функции берется величина допустимой перегрузки трансформатора выраженная системой уравнений описывающих тепловой режим трансформатора с наложением на него ограничений связанных с максимально допустимой температурой обмотки, масла и относительным износом изоляции. Проведенные исследования показали, что независимо от величины коэффициента предварительной загрузки, максимум перегрузочной способности соответствует одной и той же величине М.В.С.НОМ, характеризующей одновременное максимальное использование всех ограничивающих параметров. Анализ проведенных исследований показывает, что для заданной величины эквивалентной температуры окружающей среды, из ряда трансформаторов одной мощности, возможно выбрать по конструктивным параметрам такой трансформатор, который будет обладать максимальной нагрузочной способностью. Моделирование тепловых процессов показало, что независимо от коэффициентов предварительной загрузки К1 и продолжительности перегрузки t, допустимую нагрузку ограничивает коэффициент, связанный с допустимой температурой обмотки. Поскольку прибор для непосредственного определение температур токоведущих частей высоковольтных трансформаторов еще не получил широкого распространения, возникает задача косвенного регулирования величины допустимой аварийной нагрузки. В процессе исследований было установлено, что при увеличении продолжительности аварийной перегрузки и температуры окружающей среды значения коэффициентов, связанных с максимально допустимой температурой обмотки и масла, становятся практически равны между собой. Это позволяет сделать вывод о том, что возможно контролирование допустимой перегрузки, используя показания термосигнализатора, установленного на трансформаторе. 15 Погрешность косвенного регулирования допустимой аварийной перегрузки можно уменьшить, если после предварительного моделирования теплового режима по заданным параметрам перегрузки установить вторую уставку срабатывания термосигнализатора. Например, с максимально допустимой температуры 115 оС (согласно указаниям ГОСТа) на температуру 113 оС. График расчета допустимой перегрузки при максимально допустимой температуре верхних слоев равной 113 оС, то при продолжительности более 6 часов независимо от коэффициента предварительной загрузки термосигнализатор будет выдавать сигнал диспетчеру о достижении максимально допустимой перегрузки. При этом температура масла будет достигать значения расчетной температуры раньше максимально допустимой температуры обмотки, что позволяет не допускать ее перегрева. График расчета допустимой перегрузки при максимально допустимой температуре верхних слоев масла равной 113 оС, представлен на рисунке 4. К1 К2.М.В.С. при М.В.С =115оС о.е. К2.М.В.С. при М.В.С =113оС К2.О.ННТ.А о.е. ч К2 t Рисунок 4 – Зависимость допустимых коэффициентов аварийной перегрузки трансформатора при значении К2.М.В.С, рассчитанном для максимально допустимой температуры верхних слоев масла 113 оС, от продолжительности перегрузки Таким образом, при помощи термосигнализатора можно регулировать величину перегрузки длительностью более 6 часов, не допуская перегрева обмотки, с погрешностью не более 3-5%. Применение результатов полученных в данной главе позволит предотвращать излишний износ изоляции и тем самым повысить эффективность и надежность работы системы электроснабжения. 16 В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с уточнением тепловой схемы замещения силовых кабелей на напряжение 6-20 кВ. Тепловая модель силовых кабелей напряжением 6-20 кВ дополнена следующими уточнениями: учетом тепловых потерь в металлических оболочках силовых кабелях и их корректировкой от изменения температуры; учетом изменения диэлектрических потерь в изоляции в зависимости от изменения тангенса диэлектрических потерь от температур; учтено термическое сопротивление защитной подушки кабеля; учтено изменение термического сопротивления земли при осушке и влияние этого на тепловые параметры схемы замещения кабеля. Разработан алгоритм математического моделирования нестационарных тепловых процессов в силовом кабеле с учетом введенных уточнений, требований по вводу исходных данных, заданию ограничивающих параметров теплового режима работы. В результате получены основные зависимости между ограничивающими параметрами и продолжительностью перегрузки, температурой окружающей среды, величиной начальной загрузки и условиями прокладки кабеля. В результате проделанной работы тепловая схема замещения силовых кабелей при нестационарных тепловых процессах приведена к виду, показанному на рисунке 5. SИЗ/2 SИЗ/2 РЖ СЖ РД СИЗ SПД РОБ CОБ SП РБР СП SZ1 CZ1 SZn CZn РЖ – переменные потери в жилах кабеля; СЖ – теплоемкость жил кабеля; SИЗ – термическое сопротивление изоляции; СИЗ – теплоемкость изоляции; РД – переменные диэлектрические потери в изоляции кабеля; РОБ – переменные потери в металлической оболочке кабеля; СОБ – теплоемкость оболочки кабеля; SПД – термическое сопротивление защитной подушки кабеля; РБР – переменные потери в металлической броне кабеля; СП – теплоемкость защитных покровов кабеля; SП – термическое сопротивление защитных покровов кабеля; SZi – термическое сопротивление i-го слоя грунта; CZi – теплоемкость i-го слоя грунта. Рисунок 5 – Тепловая схема замещения кабеля при нестационарном тепловом режиме Погрешность расчетов допустимых перегрузок, полученных при помощи существующего метода относительно уточненного, достигает 6%. График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок от продолжительности перегрузки показан на рисунке 6. 17 Погрешность, % Форма графика объясняется тем, что при значениях предварительной загрузки К1 < 0,5 допустимые перегрузки, рассчитанные уточненным методом, превышают допустимые нагрузки полученные при помощи существующего метода. В существующей модели не учитывается зависимость потерь в жилах кабеля от его температуры. При увеличении продолжительности перегрузки допустимые значения перегрузки, полученные уточненным методом, получаются ниже значений, полученных при помощи существующей модели. Это связано с увеличением сопротивления грунта и значения постоянной времени нагрева кабеля. Неучитывание вышеперечисленных уточнений тепловых процессов в силовом кабеле приводит к завышенным величинам допустимой перегрузки, полученной с использованием существующей тепловой модели, по сравнению с величинами перегрузки, полученными с использованием уточенной тепловой модели силового кабеля. о.е. К1 ч t Рисунок 6 – График зависимости погрешности определения допустимых перегрузок от их продолжительности Без учета в тепловой модели таких параметров, как изменение потерь при увеличении электрического сопротивления жил кабеля, потерь в электрических оболочках силовых кабелей, а также изменения тепловых параметров прилегающих к кабелю слоев грунта может привести к недопустимым перегревам изоляции токоведущих жил. Особое внимание при корректировке тепловой схемы уделено тепловым параметрам почвы: удельной теплоемкости cz, Дж/см3·оС, и термическому сопротивлению Г, град·см/ Вт. Важной характеристикой почв является увеличение их удельного термического сопротивления при осушении. Теплота, выделяемая кабелем, вызывает миграцию влаги в почве; в порах 18 почвы, которые первоначально были заняты влагой, остается воздух, и удельное термическое сопротивление увеличивается из-за высокого удельного термического сопротивления воздуха, теплоемкость же, наоборот, уменьшается. Состав почвы также влияет на удельные величины теплоемкости и термического сопротивления почвы (тепловые параметры почвы). Влияние изменения этих параметров на допустимые величины перегрузки показано на рисунке 7. K2 1 о.е. 2 Дж/оС·см3 cz Г о С·см/ Вт 1 – при продолжительности 3 часа, 2 – при продолжительности 12 часов Рисунок 7 – Влияние тепловых параметров грунта на допустимые аварийные перегрузки Проведено комплексное исследование влияния тепловых параметров на перегрузочную способность кабеля. Из графиков, изображенных на рисунке 7, следует, что увеличение теплоемкости и уменьшение теплового сопротивления ведет к увеличению допустимой перегрузки. Данные графики построены для продолжительности перегрузки, равной 3 часа (1) и продолжительности перегрузки, равной 12 часов (2). При длительных перегрузках увеличение сопротивления грунта приводит к большим изменениям допустимой перегрузки, чем при кратковременных. Обратная картина наблюдается для теплоемкости грунта - при длительных перегрузках увеличение теплоемкости приводит к меньшим изменениям допустимой перегрузки, чем при кратковременных. Это объясняется тем, что при длительных перегрузках постоянная времени нагрева не оказывает такого влияния на тепловой режим кабеля, как при кратковременных. Поэтому влияние термического сопротивления наиболее сильно сказывается на величины 19 допустимых перегрузок именно при их длительности более двух постоянных времени нагрева кабеля. В пятой главе дается описание алгоритмов расчета допустимой перегрузки и соответствующего программного обеспечения предназначенного для определения тепловых процессов в силовых трансформаторах и кабелях (программы MathCAD, MathLab). Производится описание результатов проведенного эксперимента на реальном оборудовании и сравнение его результатов с расчетными температурами полученными в результате расчета существующим и уточненным методом. Получены корреляционные зависимости между экспериментальными и уточненными моделями. Коэффициенты корреляции показывают, что уточненные модели более точно описывают тепловые режимы работы оборудования. Следовательно повышается точность расчетов коэффициентов допустимой перегрузки полученных на основе этих моделей. Предложены варианты практического применения результатов полученных в диссертационной работе. Показан алгоритм работы защиты трансформатора от перегрева и его практическая реализация для микропроцессорных терминалов защит трансформатора. Появление устройств защиты трансформаторов типа "RET", предназначенных для быстрой и селективной защиты трансформаторов, позволяет на новом уровне производить контроль допустимой нагрузки трансформаторов. В существующем программном обеспечении имеется математическая модель первого порядка описывающая тепловые процессы в силовом трансформаторе. Расчет температуры обмотки производится на основании нагрузки силового трансформатора. Такие модели имеют целый ряд недостатков приводящих к значительным погрешностям в расчете температуры обмотки. Повысить точность расчетов можно при использовании в расчетах непосредственно измеренную температуру масла. Для этого достаточно установить следующие блоки: 1 – датчик температуры (термопара или термо-сопротивление) измеряющий температуру в верхних слоях масла; 2 – преобразователь напряжения или сопротивления в ток (микропроцессорный преобразователь типа SINEAX V 604); 3 – милиамперметровый вход в терминал для измерения тока с преобразователя температуры масла в верхних слоях трансформатора типа SINEAX V 604. Используя измеренную температуру масла можно упростить тепловую модель и одновременно повысить точность расчета температуры обмотки. Упрощенный алгоритм легко запрограммировать и использовать для защиты трансформатора от перегрева в цифровых терминалах защит. Упрощен- 20 ная тепловая модель для определения температуры обмотки показана на рисунке 8. 1 6 7 2 4 5 3 Рисунок 8 – Тепловая модель трансформатора для защит типа "RET 316*4" Модель учитывает следующие параметры влияющие на температуру обмотки: нагрузку трансформатора – блок 1; изменение постоянной времени нагрева обмотки – блок 2; блок измерения температуры масла – блок 3; автоматику управления охлаждения трансформатора – блок 4; изменение сопротивления обмотки от температуры – блок 5. Также в модели находится непосредственно сам блок расчета температуры обмотки – блок 6 и блок 7 – сравнения и сигнализации. Причем блок 4 может рассчитывать сам включение автоматики обдува или принимать дискретный сигнал из шкафа обдува о его включении. Учитывая сравнительно большую теплоемкость обмотки трансформатора по сравнению с необходимым быстродействием основных защит трансформатора замеры можно производить один раз в минуту. Это позволит дополнительно снизить нагрузку с центрального процессора защиты. При превышении температуры обмотки выше допустимой защита будет выдавать диспетчеру предупреждающий сигнал о не допустимой нагрузке трансформатора. Использование предлагаемых технических решений и алгоритмов повысит точность расчета температуры обмотки силовых трансформаторов микропроцессорными терминалами защит. 21 Заключение На основании проделанной работы были достигнуты следующие результаты и выводы: 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 22 загрузки К1 > 0,8, из-за не учета эти методом относительного износа изоляции. 8. Разработанный метод выбора оптимальной величины М.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". 23 Публикации по теме диссертации 1. Куроедов В. И., Лыков А. А. Влияние параметров комплекса электроснабжения на перегрузочную способность силового трансформатора – сб. межвузовской н-п конференции АЦВО КубГТУ «Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки, производства и образования»Армавир Ч.1, 2001. – 107-112 с. 2. Куроедов В. И., Лыков А. А. Проблемы моделирования системы электроснабжения Армавирского электромеханического завода (АЭМЗ) – Сб. межвузовской н. – п. конференции АЦВО “Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки производства и образования” Армавир, 2001. – 46 - 49 с. 3. Куроедов В. И., Лыков А. А. Математическое моделирование потерь электроэнергии на предприятиях и многокритериальная их оптимизация с применением компьютерных технологий – Сб. научных трудов 1-ой международной н-п интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» Орел, 2002. –205 – 207 с. 4. Куроедов В. И., Лыков А. А. Моделирование и рационализация электропотребления предприятий с непостоянной номенклатурой выпускаемой продукции – Сб. научных трудов 2-ой Всероссийской научнопрактической конференции «Системы управления электротехническими объектами» Тула, 2002. –51-52с. 5. Куроедов В. И., Лыков А. А. Статистическое моделирование воздействия нагрузок комплекса электрооборудования цеха на относительный износ силового трансформатора – Сб. н-т 2-ой межвузовской научной конференции «Электромеханический преобразователи энергии» Краснодар, 2003. –89-91 с. 6. Куроедов В. И., Лыков А. А. Уточнение тепловой модели силового трансформатора при определении его перегрузочной способности // Электрика, 2003 г., вып.6. – 28-31 с. 7. Куроедов В. И., Лыков А. А. Влияние тепловых параметров грунта на перегрузочную способность силового кабеля // Электрика, 2004 г., вып.10. – 21-27 с. 8. Куроедов В. И., Лыков А. А. Оптимизация нагрузочной способности трансформатора по его конструктивным параметрам // Электрика, 2005 г., вып.5. – 31-34 с. 9. Куроедов В. И., Лыков А. А. Защита от перегрузки трансформаторов, выполненная на современных терминалах защит // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2007 г. вып.3-4. – 135-137 с. 24 Подписано в печать Бумага офсетная Печ. л. 1 Усл. печ. л. 0,93 Уч.-изд. л. 0,72 Формат 60х84/16 Печать трафаретная Изд № Тираж 100 экз. Заказ № Лиц. ИД № ______ от ГОУ ВПО «Кубанский государственный тех7нологический университет» 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2-а Армавирский филиал РИО КубГТУ 352905, г. Армавир, ул. Кирова, 127
