Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Современное состояние линий электропередачи на 10 кВ в АПК .9
1.2 Существующие методы и средства повышения качества электроснабжения предприятий АПК . 26
1.3 Выводы и постановка задач исследования .41
2 Разработка структуры однопроводной линии и устройств, преобразующих трехфазное напряжение в однофазное и однофазное в трехфазное на базе многоуровневых инверторов .43
2.1 Структура и принцип работы разрабатываемой однопроводной сети на 10 кВ для удаленных сельскохозяйственных потребителей 43
2.2 Обоснование методики расчета параметров и математической модели однопроводной линии на 10 кВ 44
2.3 Основы для выбора многоуровневого инвертора с фиксацией нейтрали в качестве преобразователей напряжения в разрабатываемой однопроводной сети 53
2.4 Математическое описание формирования синусоидального напряжения в многоуровневых инверторах с фиксацией нулевой точки 58
2.5 Схемы преобразователей напряжения для однопроводной линии на 10 кВ и расчет основных элементов .67
2.6 Конструкция заземляющего устройства для предлагаемой однопроводной линии электропередачи .79
2.7 Анализ надежности предлагаемых преобразователей и однопроводной системы электропередачи в целом .84
2.8 Применение преобразователя числа фаз в качестве устройства симметрирования неполнофазных режимов на линии 10 кВ для удаленных сельскохозяйственных потребителей 2.9 Выводы по главе 95
3 Программа и методика исследований работы однопроводной линии электропередачи 97
3.1 Программа экспериментальных исследований 97
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 101
3.3 Компьютерное моделирование работы преобразователей фаз и однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ .103
4 Результаты экспериментальных исследований преобразователей напряжения для предлагаемой однопроводной линии и их анализ 106
4.1 Результаты компьютерного моделирования в среде Matlab устройства преобразующего трехфазное напряжение в однофазное .106
4.2 Результаты компьютерного моделирования в среде Matlab устройства преобразующего однофазное напряжение в трехфазное .113
4.3 Результаты исследований устройств преобразующих трехфазное напряжение в однофазное и однофазное в трехфазное без нагрузки .126
4.4 Результаты исследований устройства преобразующего однофазное напряжение в трехфазное под нагрузкой 128
4.5 Результаты исследований устройства преобразующего трехфазное напряжение в однофазное под нагрузкой 139
4.6 Результаты компьютерного моделирования однопроводной линии электропередачи 10 кВ в среде Matlab 146
4.7 Выводы по главе 148
5 Технико-экономическое обоснование разрабатываемой однопроводной линии электропередачи .149
5.1 Расчет стоимости строительства воздушной линии электропередачи напряжением 10 кВ .149
5.2 Расчет стоимости строительства предлагаемой однопроводной линии электропередачи .150
5.3 Сравнение капитальных затрат при строительстве существующих и предлагаемой линии, экономический эффект, окупаемость .154
5.4 Определение годовых эксплуатационных затрат 157
5.5 Технико-экономическая оценка проектируемой электрической сети 159
5.6 Расчет динамических показателей эффективности проектируемой электрической сети 161
5.7 Расчет экономических показателей с учетом снижения аварийности для проектируемой линии электропередачи 162
5.8 Расчет экономической эффективности применения предлагаемой системы электроснабжения для снижения затрат в рамках реализации программы развития сельского хозяйства Ростовской области .165
5.9 Выводы по главе 166
Заключение 168
Список литературы
- Существующие методы и средства повышения качества электроснабжения предприятий АПК .
- Обоснование методики расчета параметров и математической модели однопроводной линии на 10 кВ
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Результаты компьютерного моделирования в среде Matlab устройства преобразующего однофазное напряжение в трехфазное
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современное направление развития предприятий агропромышленного комплекса, формируемое федеральными и региональными программами, рассчитанными вплоть до 2020 года, определяют требования к существующим системам электроснабжения. Развитие животноводства, птицеводства, растениеводства, перерабатывающей промышленности, определенное в данных программах, ведет к росту потребляемой мощности объектами АПК, а также к ужесточению требований, выдвигаемых к качеству электроэнергии. На сегодняшний день износ трехфазных систем составляет более 70%, что негативно влияет как на бесперебойность электроснабжения, так и на качество поставляемой электроэнергии. Поэтому для удовлетворения требований к работе энергоснабжающих систем, при выходе на запланированные мощности к 2020 году, необходимо производить полную реконструкцию существующих систем, что влечет за собой большие финансовые затраты, либо находить пути удешевления способов передачи электроэнергии, при соблюдении всех требований к её качеству.
Низкая надежность существующих систем электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса, высокая стоимость на обслуживание и строительство линий электропередачи стимулирует на совершенствование систем передачи электроэнергии, направленное на снижение потерь при транспортировании, уменьшения стоимости, увеличения надежности и улучшения эксплуатационных характеристик, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Над решением проблемы повышения качества электроснабжения, работают многие ученые, такие как Д.С. Стребков, Т.Б. Лещинская, С.В. Авраменко, А.И. Некрасов, М.А. Таранов, В.Я. Хорольский, В.С. Григорчук, П.А. Киреев, В.М. Разумихин, А.Б. Круглов, Л.Н. Линник и ряд других отечественных и зарубежных ученых.
К настоящему времени разработан ряд организационных методов, направленных на повышение качества электроснабжения для удаленных сельскохозяйственных потребителей, комплекс устройств и оборудований, а также систем электроснабжения в целом.
Однако, анализ существующих методов и средств по обеспечению потребителя качественным электроснабжением показал, что рациональных систем для сельхозпотребителей, с учетом особенностей эксплуатации (большая протяженность и количество ответвлений линии, неравномерности токов и искажения напряжения, связанных с однофазными потребителями) ограниченное количество, а, если взять во внимание тяжелое финансовое положение таких потребителей, которые не могут позволить себе реализовать большую часть из них, задача повышения качества электроснабжения все ещё остается не решенной.
Цель работы. Повышение качества электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей с помощью системы однопроводной передачи электроэнергии напряжением 10 кВ.
Задачи исследования:
– провести анализ работы существующих систем электроснабжения;
– разработать структуру однопроводной линии и устройств, преобразующих трехфазное напряжение в однофазное и однофазное напряжение в трехфазное на базе многоуровневых инверторов, и обосновать их параметры, удовлетворяющие требованиям ГОСТ к показателям качества электроэнергии;
– произвести анализ гармонических составляющих выходного напряжения преобразователей, с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований с целью определения возможности применения разработанных преобразователей для однопроводной линии электропередачи;
– экономически обосновать целесообразность использования разработанной системы однопроводной линии электропередачи для удаленных сельскохозяйственных потребителей напряжением 10 кВ.
Объект исследования: система сельскохозяйственного электроснабжения для удаленных потребителей.
Предмет исследования: режимы работы однопроводной системы электроснабжения для удаленных сельскохозяйственных потребителей.
Научная новизна работы состоит:
– в обосновании организации электрической сети, позволяющей повысить качество электроснабжения;
– в методике, позволяющей произвести расчет преобразователей напряжения, выполненных на базе многоуровневых инверторов;
– в получении выражения, описывающего зависимость количества уровней инвертора для обеспечения необходимого качества электроэнергии;
– в техническом решении, новизна которого подтверждена патентом на изобретение (патент РФ на изобретение №2516461).
Теоретическая и практическая значимость работы:
– в результате полученных при статистической обработке данных по аварийности для трехпроводной линии электропередачи;
– в повышении качества электроснабжения за счет применения однопроводной системы;
– в разработанной принципиальной электрической схеме для преобразователей трехфазного напряжения в однофазное и однофазного в трехфазное на базе семиуровневого инвертора напряжения.
Положения выносимые на защиту:
– организация однопроводной электрической сети при соблюдении требований к качеству электроснабжения сельскохозяйственных потребителей;
– устройство, преобразующее трехфазное напряжение в однофазное, устройство, преобразующее однофазное напряжение в трехфазное, и результаты исследований режимов их работы;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований;
– результаты компьютерного моделирования;
– экономическое обоснование применения предлагаемой однопроводной линии.
Методы исследования включали физические основы электроники, элементы теории надежности, методы математического и компьютерного моделирования, элементы математической статистики. Для обработки результатов исследований использовался табличный редактор Excel пакета Microsoft Office. Компьютерное моделирование проводилось в среде Matlab версии 7.12.
Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований аварийности работы линии электропередачи были переданы, а также устройство симметрирования неполнофазных режимов на линии 10 кВ было внедрено в филиал ОАО «ДОНЭНЕРГО» САЛЬСКИЕ МЕЖРАЙОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ.
Степень достоверности и апробация результатов исследований подтверждаются достаточным объемом статистических данных, применением теории надежности, методов математического и компьютерного моделирования, а также экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных технических средств измерений. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2012…2015 гг.), на всероссийской научной конференции «Новые технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности с использованием электрофизических факторов и озона» ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ ( г. Ставрополь, 2012 г.).
Публикация результатов исследований. По результатам исследований получен патент, опубликовано 4 статьи, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, в электронном журнале «Инженерный вестник Дона» и журнале «Сельский механизатор».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 100 наименований, в том числе 3 на иностранных языках, и приложений, содержит 181 страницу основного текста, 93 рисунка, 45 таблиц, приложения на 23 страницах.
Существующие методы и средства повышения качества электроснабжения предприятий АПК .
Сложившаяся тенденция медленного увеличения потребления электроэнергии после резкого ее сокращения, дальнейшего разветвления сетей для мелких потребителей и одновременного повышения требований к ее качеству и надежности со стороны с/х предприятий безусловно будет нарастать в силу происходящих процессов в развитии АПК России.
Современное направление развития предприятий АПК и всего сельского хозяйства страны формируется федеральными и региональными программами, разработанными на основании принятого Государственной Думой Российской Федерации национального проекта - «Развитие АПК», в дальнейшем трансформированного в «Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия», утвержденную Постановлением Правительства Российской Федерации от 14.07.2007 г. №446 (далее Государственная программа на 2008 – 2012 г.) [1, 11]. Реализация проекта «Развитие АПК» и Государственной программы на 2008-2012 гг. остановили негативную тенденцию сокращения, и позволили увеличить производства основных видов сельскохозяйственной продукции.
По отношению к предыдущему периоду к 2012 году увеличился валовый сбор зерна на 8%, подсолнечника на 40%, сахарной свеклы на 46%. Производство мяса скота и птицы в 2010 году по сравнению с 2006 годом увеличилось на 30%, причем на высокотехнологичное производство птицы пришлось 69,9%, мяса свинины 35,6% [2, 12].
Вместе с тем новая «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» (далее Госпрограмма), принятая Постановлением Правительства РФ от 14 мая 2012 г. №717, предусматривает значительное увеличение производства основных видов с\х продукции [2].
Фактически предусмотрен выход страны из зарубежной продовольственной зависимости путем импортозамещения основных видов продовольствия собственной сельскохозяйственной продукцией. Так, российская Федерация к 2020 году будет обеспечена по: - зерну на 99,7%; -сахару из свеклы на 93,2%; - растительному маслу на 87,7%; - картофелю на 98,7%; - мясу и мясопродуктам на 88,3%; -молоку и молочным продуктам на 90,2%. К 2020 году будет увеличено производство с\х продукции в хозяйствах всех категорий по отношению к 2012 году на 20,8%, выработке пищевой продукции на 35%. Для достижения этой цели «Госпрограммой» предусмотрено выделение бюджетных ассигнований за счет федерального бюджета на развитие отраслей: - растениеводства более 450 000 000 тыс.рублей ; - животноводства около 500 000 000 тыс.рублей; - технологическая и техническая модернизация, инновационное развитие сельскохозяйственных отраслей около 26 000 000 тыс.рублей; - поддержка малых форм хозяйствования более 80 000 000 тыс.рублей; Реализация «Госпрограммы» предусматривает устойчивое развитие сельских территорий, что в свою очередь, тесно связано с уровнем жизни и благосостояния граждан, проживающих на данных территориях, что в итоге должно положительно отразиться на сохранении территориальной целостности и национальной безопасности Российской Федерации [2].
Такие же программы разработаны во всех сельскохозяйственных субъектах Российской Федерации, в т.ч. и в Ростовской области Постановлением Правительства № 592 от 25.09.2013 года утверждена государственная программа области «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков с\х продукции, сырья и продовольствия» (далее Программа), которая предусматривает в том числе и значительные капитальные вложения в перевооружение и создание новых сельскохозяйственных объектов агропромышленного комплекса в т.ч. объектов животноводства, овощеводства закрытого грунта, мелиорации, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции [3].
Реализация существующей ранее, на территории Ростовской области программы на 2008 - 2012 годы аналогично принятой областной долгосрочной целевой программы «Развития сельского хозяйства и регулирования рынков с\х продукции, сырья и продовольствия в Ростовской области на 2010-2014 годы» позволили остановить спад, и увеличить производство основных видов с\х продукции, а также стабилизировать финансовое положение предприятий АПК таблица 1.8.
Динамика роста производства основных видов сельскохозяйственной продукции № п\п Наименование произведенной продукции Производство продукции в 2012 году по отношению к 2007 г. в %. 1 Мясо 109,5 2 Молоко 113,8 3 Яйцо 121 4 Зерно и зернобобовые 153,4 5 Овощи 200 В целом рентабельность с\х производства области в 2012 году составила 15,4%. За период реализации принятых программ с 2008 по 2012 гг. освоено инвестиций более 75 млрд.рублей. В том числе построено 18 крупных объектов по производству, хранению и переработке с\х продукции. Создано более 4 тыс.рабочих мест.
Принятая Правительством Ростовской области новая «Программа» в период до 2020 года предусматривает значительное ускорение наметившихся тенденций в т.ч. в области обновления технической базы агропромышленного производства; реализацию инновационных проектов по производству молока в Матвеево-Курганском, Целинском и Октябрьском районах, строительстве ряда крупных предприятий переработки с\х продукции таких, как мясоперерабатывающий комбинат в Семикаракорском районе мощностью 60 тыс. тонн мяса птицы в год и др.
Многие предприятия мясной, молочной, хлебопекарной, мучной переработки проводят модернизацию производства, внедряют современные технологии. Всего на развитие с\х производства согласно принятой «Программы» только из областного бюджета будет выделено свыше 30 млрд. рублей, что позволит значительно увеличить производство основных видов сельскохозяйственной продукции к 2020 году, в том числе производство мяса и молока, таблица 1.9.
Обоснование методики расчета параметров и математической модели однопроводной линии на 10 кВ
И так, анализируя выше полученные зависимости, можно выделить следующее: что бы обеспечить равенство в значениях плотности тока трехпроводной и однопроводной линий, которые отличаются на -3 согласно выражений (2.18), (2.22), необходимо увеличить сечение однопроводной линии на л/3 по отношению к одному проводу трехпроводной сети; однако, учитывая то обстоятельство, что потери мощности в двух линиях отличаются в 3 раза и что бы уравнять эти условия, необходимо увеличить сечение провода в однопроводной линии в 3 раза по отношению к одному проводу трехпроводной сети.
Таким образом, характеристики двух линий (потери мощности, общее сечение проводов, передаваемые мощности и т.д.) остаются одинаковыми и основные требования согласно ПУЭ [46], не нарушаются.
Однако, следует учесть, что ПУЭ предъявляет требования к минимально допустимым сечениям проводов по условиям механической прочности, согласно чему, при относительно небольшой передаваемой мощности, требуется применение марок проводов с завышенными сечением. Поэтому происходит следующее, в трехпроводной линии для климатических зон с большими гололедными образованиями (20, 25, 30 мм и более) приходится применять 3 провода такой марки, для которой достаточно одного провода, что бы передать эту же мощность. Данное обстоятельство, позволяет утверждать о целесообразности применения однопроводной линии, которая позволит снизить общую стоимость строительства, за счет уменьшения количества проводов (в 3 раза) и упрощения несущей конструкции. Что подтверждается расчетами проведенными ниже.
Для того, что бы, иметь полное представление о потери напряжения в однопроводной линии, необходимо учитывать сопротивление земли при протекании через нее обратного тока сети. Однако, расчет данного параметра носит абстрактный характер, поскольку поведение протекающего тока через землю (особенно при использовании её в качестве обратного провода) до конца не изучено, поэтому необходимо принимать некоторые допущения. Так в работах [47] в системе «провод-земля» описан приблизительный принцип прохождения тока в земле. Известно, что линии переменного тока обладают активным и индуктивным сопротивлением, последнее в свою очередь зависит от величины потока, пронизывающего толщу провода (внутреннее индуктивное сопротивление) и поток, пронизывающий контур линии (внешнее индуктивное сопротивление). Внешнее же индуктивное сопротивление зависит от размеров контура, то есть, чем больше расстояние между протекающим прямым и обратным током, тем больше индуктивность [47]. На рисунке 2.3 представлена
Схема однопроводной сети с учетом протекания тока через землю схема протекания токов через землю. Учитывая сказанное выше, получается, что ток i 1 определяет меньшую индуктивность, чем i2, i3 и др. Так как токи имеют различную индуктивность, то они будут сдвинуты по фазе относительно друг друга. Отсюда, плотность тока в земле будет снижаться с удалением от поверхности земли и тем быстрее, чем выше частота тока [47].
Таким образом, при увеличении частоты, глубина протекания тока уменьшается, растет сопротивление земли. К примеру, ток линии при частоте 50 Гц, распространяется в земле в стороны и в глубину на несколько километров. При постоянном токе, сопротивление земли в расчетах вообще не учитывается. Что же касается случаев, при увеличении удельного сопротивления земли, то, растет падение напряжения в ней, снижается плотность тока и, одновременно увеличивается глубина и ширина протекания токов. При снижении удельного сопротивления происходит обратное явление [47]. Выше описанные принципы протекания тока через землю косвенно подтверждаются в работах Стребкова Д.С, Авраменко СВ., Некрасова А.И. [21, 23].
На основание вышеизложенного материала, авторами [47, 48], были выведены выражения для расчета полного сопротивления контура «провод-земля»: Z = ra+jx +jx", Ом/км, (2.23) где ra - активное сопротивление, Ом/км; x - внешнее индуктивное сопротивление, Ом/км; х” - внутренние индуктивное сопротивление, Ом/км. Величина внешнего индуктивного сопротивления: x = со-L, Ом/км, (2.24) где L - коэффициент самоиндукции в Гн/км; Величина внутреннего индуктивного сопротивления: x = со- -104, Ом/км, (2.25) где Li - магнитная проницаемость проводов, для алюминия JLI = 1 [47]. Коэффициент самоиндукции согласно [47, 48] рассчитывается следующим образом: L = 1 + 2Ш f -ДюЛГн/км, (2.26) 1,78-ІЦ/іО-тг-со-Уз 2 J где R - радиус провода, м; Уз - проводимость земли, сим/м; среднее значение которого у3 = ю-3 сим/м. Поскольку в данной формуле индуктивное сопротивление представляет собой комплексную величину, то при умножении выражения на j со позволит получить действительную часть -КГ4 (отсюда, при частоте сети 50 Гц, получаем 0,05 Ом/км), что представляет собой активное сопротивление земли как обратного проводника тока [47].
Методика проведения экспериментальных исследований
Исследование работы предлагаемого варианта однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ, предназначенной для электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей, заключается в проведении компьютерного и модельного эксперимента, для оценки работоспособности основных элементов линии.
Модельный эксперимент проводился в учебно-производственной лаборатории кафедры эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморского инженерного института — филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет» в г.Зернограде, согласно ГОСТ 26567-85 [78]. Для проведения анализа работы устройства, преобразующего трехфазное напряжение в однофазное при различных режимах питающей сети, применялся многоуровневый (семиуровневый) инвертор на пониженное напряжение 0,4 кВ. Компьютерный эксперимент проводился для анализа работоспособности однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ при использовании многоуровневого инвертора в качестве преобразователя фаз.
Для оценки работы предлагаемого варианта однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ предназначенной для электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей, необходимо произвести следующие [78, 79]: 1. Произвести подбор необходимого лабораторного оборудования и приборов; 2. Исследовать работу устройства, преобразующего трехфазное напряжение в однофазное, выполненного на базе семиуровневого инвертора напряжением 0,4 кВ, при полнофазном питании без нагрузки; 3. Исследовать работу устройства под нагрузкой, преобразующего трехфазное напряжение в однофазное, выполненного на базе семиуровневого инвертора напряжением 0,4 кВ, при полнофазном; 4. Исследовать работу устройства, преобразующего однофазное напряжение в трехфазное, выполненного на базе семиуровневого инвертора напряжением 0,4 кВ, при полнофазном питании без нагрузки; 5. Исследовать работу устройства под нагрузкой, преобразующего однофазное напряжение в трехфазное, выполненного на базе семиуровневого инвертора напряжением 0,4 кВ, при полнофазном питании; 6. Произвести анализ гармонических составляющих токов и напряжений при всех видах экспериментов перечисленных выше. 7. Произвести компьютерное моделирование работы устройств преобразующих трехфазное напряжение в однофазное и однофазное в трехфазное. 8. Произвести компьютерное моделирование работы однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ.
Проведение данных экспериментальных исследований позволят подтвердить теоретические положения, скорректировать схему и методику расчета параметров семиуровневого инвертора. Рационализировать схему устройства для использования в качестве преобразователя однопроводной линии электропередачи. Проверить возможность работы однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ с помощью компьютерной модели.
Модельный эксперимент устройства, преобразующего трехфазное напряжение в однофазное, был выполнен на базе семиуровневого инвертора напряжения, расчет параметров которого, приведен в предыдущих главах. В ходе модельного эксперимента использовались следующие приборы: контроль осуществлялся осциллографом С1-83, измерение тока производилось при помощи амперметров Д50541 с классом точности 0,1 и диапазонами соответственно 0-5 и 5-10А. Анализатор качества применялся для контроля и анализа параметров электроэнергии на выходе преобразователей (частоты, активной и реактивной мощности, коэффициента мощности).
Напряжение сети подается на трехфазный выпрямитель 1, выпрямляется, поступает к емкостному делителю 2, где сглаживается и пропорционально делится количеству включенных конденсаторов. Сглаженное напряжение подается на трехфазный семиуровневый инвертор 3 и на блок питания 6. С блока питания 6, стабилизированное и пониженное напряжение подается на микропроцессорный блок управления 7, который управляющими сигналами осуществляет работу трехфазного семиуровневого инвертора, на выходе которого формируется трехфазное напряжение питающее нагрузку 5. Блок индикации 10, выдает ошибку в случае аварийного режима работы трехфазного семиуровневого инвертора. Измерительный шунт 9 необходим для снятия токовых кривых осциллографом 9 на выходе инвертора.
С помощью автоматических выключателей QF1, QF2, QF3 производится переключение вида преобразователя напряжения из трех фаз в одну и обратно. Автоматический выключатель QF4 позволяет подключить или отключить нагрузку к устройству.
Анализ работоспособности однопроводной линии электропередачи напряжением 10 кВ при использовании многоуровневого инвертора в качестве преобразователя фаз проводился в среде MATLAB 7, разработанной компанией Math Works Inc [80].
Пакет MATLAB 7 представляет собой язык программирования высокого уровня, предназначенный для инженерных и научных вычислений и создания средств моделирования различных устройств и систем, занимает достойное место среди ряда современных программных пакетов, таких как PSPICE, Multisim, Electronics Workbench и других [80].
Результаты компьютерного моделирования в среде Matlab устройства преобразующего однофазное напряжение в трехфазное
Учеными, Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии, Тарановым М.А. и Юндиным М.А., предложена однопроводная линия электропередачи напряжением 10 кВ переменного тока промышленной частоты с использованием земли в качестве обратного провода (рисунок 1.14). Однопроводное ответвление присоединено к трехпроводной магистрали ВЛ 10 кВ посредством трехфазно-однофазного трансформатора Т2. Первичная обмотка силового трансформатора соединена в звезду, а вторичная – в разомкнутый треугольник. При этом одна из обмоток разомкнутого треугольника включена встречно по отношению к двум другим. Одним из свободных выводов разомкнутого треугольника подключается к заземляющему контуру, а второй – к однопроводному ответвлению. В конце ответвления у потребителя устанавливается понижающий однофазный трансформатор Т3. Предложенное схемное подключение присоединительного трансформатора Т2 позволяет снабжать электроэнергией потребителей даже при аварийных режимах (однофазное замыкание на землю, выпадение одной из фаз), не приводящих к отключению трехпроводной сети 10 кВ [26].
Применение такой системы позволило бы сократить расходы на строительство линии, увеличить надежность (рабочий только один провод) таблица 1.13, потери электроэнергии в линии сокращаются на 33% [26].
В 2010 году данная система была усовершенствованна Тарановым М.А., Медведько Ю.А., Медведько А.Ю. [28]. Технический результат заключался в упрощении организации сети, повышении надежности работы линии, как в нормальном, так и в ненормальных режимах. Схема однопроводной распределительной сети представлена на рисунке 1.15.
Она состоит из: 1 – источник питания, 2 – трехпроводную магистраль сети, 3 – блок для определения оборванной фазы, 4 – промежуточный трансформатор, 5 – однопроводную линию, 6 – понижающий трансформатор, 7 – преобразователь однофазного напряжения в трехфазное, 8 – потребитель электроэнергии. Наряду со всеми рассмотренными системами, последние две обладают преимуществом, поскольку являются более простыми в изготовлении, монтаже и эксплуатации, надежными и не требуют больших финансовых вложений. Однако, эти разработки имеют и недостатки, которые в основном связаны с применением трансформаторов в качестве преобразователей фаз.
Ещё одним перспективным направлением в области повышения качества электроснабжения, является применения альтернативных источников энергии. Над данной тематикой работают многие ученые в различных направлениях, способных обеспечить потребителей бесперебойным электропитанием, таких как: солнечная энергетика, ветряная, геотермальные источники, энергоблоки с топливными элементами, а также применение автономных электростанций. Проводя анализ данных систем, нельзя однозначно говорить о их огромном превосходстве над централизованным электроснабжением. Рассмотрим каждый из этих альтернативных источников электроснабжения.
Солнечная энергетика направлена на получение электроэнергии, используя солнечное излучение. При этом данный способ получения электроэнергии является экологически чистым и бесшумным. Солнечная энергия является неисчерпаемым источником энергии. Однако, существует множество недостатков, которые не позволяют использовать данный вид энергии, как основной источник. Основное количество электроэнергии, фотоэлектрическими преобразователями, вырабатывается в дневное время суток, в утренние и вечерние с меньшей интенсивностью. Так же вырабатываемая электроэнергия может изменяться в зависимости от погоды. Поэтому необходимо использовать дополнительные электрические аккумуляторы. Другими недостатками является: высокая цена, необходимость в постоянной очистке фотопанелей (так как уменьшается вырабатываемая электроэнергия), сложность в обслуживание, необходима установка дополнительного охлаждающего оборудования, применения кадмия в фотоэлементах затрудняет их утилизацию [35].
Удаленные от энергосистем потребители, расположенные в районах с преобладанием ветров, источником электроэнергии могут быть ветровые электростанции. К недостаткам ветроэлектростанций можно отнести: низкое качество вырабатываемой электроэнергии, узконаправленное применение (именно в зонах с обилием ветров), применение дорогостоящего оборудования (аккумуляторы, регуляторы напряжения и частоты) для улучшения выходных характеристик [25].
Применение геотермальных источников позволит обеспечить потребителей бесперебойным электропитанием даже на территориях с отсутствующим централизованным энергоснабжением. Основными достоинствами таких источников является: неисчерпаемость, независимость от окружающей среды, времени суток и года. Однако, применение такого вида энергии существенно затруднено следующими факторами: высокая минерализация термальных вод; наличие токсичных соединений и металлов, из-за чего требуется обратная закачка отработанной воды в подземный водоносный слой; все это значительно повышает затраты на использование данного вида энергии [36].
Энергоблоки с топливными элементами получают электрическую энергию постоянного тока благодаря реакции водорода и кислорода. Обладают большим количеством достоинств, но на сегодняшней день не удается создать такие элементы большой мощности [26].
Автономные, то есть с бензиновыми или дизельными двигателями, электростанции имеют ряд недостатков, которые затрудняют их использование, как постоянного источника электроэнергии: проблемные запуски при низких температурах, при этом для дизельных электростанций необходимо использовать «зимнее» топливо, а при высоких температурах «летние»; регулярность в качественном техническом обслуживании (с заменой масла, воздушного, топливного и масляного фильтров), высокая шумность [37].