Введение к работе
Актуальность темы
Аварийные ситуации в системах электроснабжения (СЭС) непредсказуемы и могут быть вызваны многими факторами: отказом оборудования, неправильными и несогласованными действиями обслуживающего персонала, а также различными природными воздействиями, к которым относятся и геомагнитные бури (ГМБ). Во время ГМБ вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле. Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуются напряженностью 1 – 20 В/км и временем изменения от 10 с до 30 минут, вектор напряженности этого поля преимущественно ориентирован по меридиану. В связи с этим, во время ГМБ между заземленными нейтралями силовых трансформаторов (СТ) СЭС возникает ЭДС. На протяженных линиях электропередач (ЛЭП) ЭДС может достигать нескольких киловольт, и в ЛЭП появляется квазипостоянный ток, который принято называть геоиндуцированным током (ГИТ).
Основное воздействие ГИТ на СЭС заключается в насыщении магнитопроводов силовых трансформаторов, сдвигая рабочий линейный режим СТ в нелинейную часть кривой намагничивания. При этом часть магнитного потока вытесняется из магнитопровода, увеличивается поток рассеяния, что вызывает дополнительные потери и нагрев конструктивных элементов силовых трансформаторов. Дополнительный нагрев твердой изоляции и масла вызывает газообразование, что может привести к срабатыванию газовой защиты и отключению СТ, а так же приводит к снижению срока эксплуатации силовых трансформаторов.
В связи с этим учет влияния геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях на режимы работы силовых трансформаторов в системах электроснабжения является актуальным.
Исследование процессов на действующих силовых трансформаторах в системе электроснабжения – проведение натурных экспериментов при ГМБ невозможно. Поэтому необходимо использование альтернативных методов, которые позволят исследовать режимы работы основных элементов СЭС, в том числе и СТ, выявить аварийные ситуации и выработать меры по снижению или предотвращению негативного воздействия геомагнитных бурь на силовые трансформаторы
Объект исследования – силовой трансформатор ТДЦ 400000/220 системы электроснабжения.
Предмет исследования – режимы работы силового трансформатора системы электроснабжения при геомагнитных бурях.
Цель работы – разработка методов определения влияния геомагнитных бурь на режимы работы силовых трансформаторов систем электроснабжения и допустимых значений геоиндуцированных токов для обеспечения их нормального функционирования.
Задачи исследования:
-
Разработать методику расчета тока намагничивания силового трансформатора при протекании геоиндуцированного тока в обмотках силового трансформатора с учетом насыщения его магнитопровода;
-
Разработать математическую модель силового трансформатора при геомагнитных бурях с учетом нелинейности кривой намагничивания электротехнической стали магнитопровода;
-
Разработать методику расчета дополнительных потерь активной мощности и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силового трансформатора при геомагнитных бурях;
-
Произвести модернизацию стандартных библиотечных блоков двух- и трехобмоточного трансформаторов, имеющихся в библиотеке SimPowerSystems, для автоматизации процесса расчета параметров схемы замещения элементов и сокращения общего времени создания расчетной модели системы электроснабжения при геомагнитных бурях;
-
Установить допустимые значения геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях для различных коэффициентов загрузки силового трансформатора для обеспечения его нормального функционирования в системе электроснабжения.
Методы и средства исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического анализа, преобразования Фурье и компьютерного моделирования систем электроснабжения (MATLAB R2009a с пакетом расширения Simulink). Полученные результаты компьютерного моделирования находятся в хорошем качественном согласии с результатами экспериментов по воздействию ГИТ на силовые трансформаторы. При выполнении работы использовались труды российских и зарубежных ученых, а также материалы конференций и семинаров.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель силового трансформатора с учетом нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геиндуцированного тока при моделировании процессов в СЭС при геомагнитных бурях;
-
Результаты расчета дополнительных потерь и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силового трансформатора при геомагнитных бурях;
-
Установленные допустимые значения геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях для различных коэффициентов загрузки силового трансформатора для обеспечения его нормального функционирования в системе электроснабжения.
Научная новизна работы.
-
Показано, что введение в математическую модель силового трансформатора нелинейной взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины геиндуцированного тока, позволяет учесть насыщение магнитопровода силового трансформатора при геомагнитных бурях;
-
Доказано, что при протекании геоиндуцированного тока по обмоткам силового трансформатора происходит увеличение дополнительных потерь активной мощности и нагрев бака и обмоток силового трансформатора от вихревых токов и возросшего в сотни раз тока намагничивания в результате насыщения магнитопровода;
-
Разработана комплексная методика расчета геоиндуцированных токов, токов намагничивания, мгновенны значений токов и напряжений силовых трансформаторов при геомагнитных бурях различной интенсивности в программном продукте MATLAB (Simulink);
-
Разработан подход к учету нагрузочной способности силовых трансформаторов, который дает возможность установить допустимые значения ГИТ при геомагнитных бурях для обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов систем электроснабжения.
Практическая ценность работы
-
-
Разработанная методика расчета режимов работы силовых трансформаторов СЭС при протекании геоиндуцированных токов позволяет на практике электросетевым организациям прогнозировать уровни ГИТ и устанавливать предельную нагрузку СТ при различных интенсивностях геомагнитных бурь. Результаты моделирования могут быть использованы при разработке мероприятий по снижению уровней ГИТ в системе электроснабжения для электросетевых организаций и промышленных предприятий;
-
Установленные предельные значения нагрузочной способности силового трансформатора ТДЦ-400000/220 при геомагнитных бурях различной интенсивности позволят обеспечить нормальное функционирование силовых трансформаторов в системах электроснабжения и надежность электроснабжения потребителей при воздействии геоиндуцированных токов;
-
Результаты диссертационной работы используются при расчете режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения промышленного комплекса, городских распределительных сетей, схем релейной защиты и автоматики, а также в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 140211.65 «Электроснабжение» и магистрантами направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника».
Реализация результатов работы.
Результаты работы были рекомендованы к использованию для расчетов уровней геоиндуцированных токов в обмотках силовых трансформаторов и дополнительного нагрева СТ при их различной нагрузке и различных интенсивностях ГМБ и внедрены в филиале ОАО «Волжская межрегиональная распределительная сетевая компания Волги - Самарские распределительные сети Жигулевское производственное отделение», что подтверждается актом внедрения выполненных работ. Результаты используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета при чтении курсов лекций «Моделирование в электротехнике», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения» и «Устойчивость систем электроснабжения».
Апробация работы.
Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов (Москва, 2008); «Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Стерлитамак, 2009), «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2009, 2012), II, V, VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2010, 2011), III международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в технических, естественных, математических и гуманитарных науках» (Москва, 2012), ХLII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Федоровские чтения - 2012» (Москва, 2012) и на научных семинарах института энергетики и электротехники Тольяттинского государственного университета.
Отдельные результаты исследований использовались в отчетах о научно-исследовательской работе.
Публикации. По теме исследования опубликовано 15 работ из них 3 работы в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 147 печатных страниц, в том числе 24 таблицы и 87 иллюстраций.
Похожие диссертации на Влияние геомагнитных бурь на режимы работы силовых трансформаторов систем электроснабжения
-
