Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Потери электроэнергии в контактных соединениях электрических сетей и особенности их математического описания ... 14
1.1. Анализ тенденций изменения составляющих потерь электроэнергии в различных элементах сети 15
1.2. Структурный анализ потерь электроэнергии в электрических сетях Братского промышленного энергорайона 16
1.2.1. Расчет потерь электроэнергии в распределительных сетях 19
1.2.2. Определение потерь электроэнергии в контактных соединениях распределительных сетей 23
1.3. Выводы 29
Глава 2. Анализ основных факторов, влияющих на работу многоамперных контактных соединений в электрических сетях 32
2.1. Основные этапы исследования характеристик многоамперных контактных соединений на основе применения методологии системного анализа 32
2.2. Классификация электрических контактов 34
2.3. Электрическое сопротивление контактных соединений 37
2.3.1. Зависимость переходного сопротивления многоамперных контактных соединений от физико-механических свойств и микроструктуры соприкасающихся поверхностей 37
2.3.2. Влияние конфигурации контактных соединений на величину переходного сопротивления 42
2.3.3. Температура многоамперных контактных соединений и их тепловое сопротивление 44
2.3.4. Работа многоамперных контактных соединений при пониженном качестве электроэнергии 47
2.4. Процесс старения и срок службы многоамперных контактных соединений 50
2.5. Анализ средств стабилизации величины электрического контактного сопротивления 53
2.6. Многофакторный корреляционный анализ исследуемых факторов 58
2.6.1. Парные коэффициенты корреляции 61
2.6.2. Частные коэффициенты корреляции 63
2.6.3. Совокупный коэффициент множественной корреляции и детерминации 64
2.7. Выводы 65
Глава 3. Многоуровневая математическая модель многоамперных контактных соединений шин электрических сетей 66
3.1. Постановка и основные этапы задачи синтеза модели многоамперного контактного соединения 66
3.2. Определение класса синтезируемой модели 68
3.3. Алгоритм моделирования электрического сопротивления контакта 70
3.4. Уточнение параметров модели с учетом теплового сопротивления 85
3.5. Расчет срока службы контактных соединений 89
3.6. Алгоритм расчета суммарных потерь электроэнергии в электрических сетях с учетом потерь в контактных соединениях 91
3.7. Экспериментальное исследование условий работы, параметров контактных соединений и оценка достоверности многоуровневой модели 95
3.8. Выводы 104
Глава 4. Программно - вычислительный комплекс «контакт» для расчета потерь электроэнергии в электрических сетях 106
4.1. Функциональное назначение, информационная структура и описание интерфейса комплекса 106
4.2. Подпрограмма определения характеристик контактных соединений 110
4.3. Расчет основных параметров многоамперных контактных соединений хлорного завода Братского лесопромышленного концерна 113
4.4. Численный метод и программа расчета режима и потерь электроэнергии в электрической сети 116
4.5. Расчет потерь электроэнергии в электрической сети локомотивного депо станции Вихоревка (ВСЖД) 120
Основные результаты работы 129
Список литературы 131
Приложение 141
- Структурный анализ потерь электроэнергии в электрических сетях Братского промышленного энергорайона
- Электрическое сопротивление контактных соединений
- Уточнение параметров модели с учетом теплового сопротивления
- Подпрограмма определения характеристик контактных соединений
Введение к работе
Современное развитие электроэнергетики характеризуется ростом энергопотребления, концентрацией производства электроэнергии на электростанциях большой мощности и централизацией электроснабжения от Единой энергетической системы. При этом возрастает расход электроэнергии, необходимой для осуществления ее передачи и распределения. Поэтому проблемам учета, планирования и сокращения потерь мощности и энергии в электрических сетях уделяют все большее и большее внимание [1,2,3]. Кроме того, в условиях изменения хозяйственного механизма электроэнергетической отрасли и общего кризиса экономики в стране проблема экономичного расходования электроэнергии в электрических сетях не только не утратила свою актуальность, но и стала одной из основных задач обеспечения финансовой стабильности энергоснабжающих организаций.
Техническое состояние отечественных электрических сетей характеризуется достаточно высоким уровнем потерь, который с вводом новых мощностей продолжает увеличиваться [4-8].
Наибольшее число потерь приходится на промышленные предприятия черной и цветной металлургии, химические, целлюлозно - бумажные и другие энергоемкие производства, на которых сосредоточено значительное число различных многоамперных электрических контактных соединений (КС) [8-25]. Под многоамперными КС понимают соединения, работающие на токах от 100 А и выше (так на предприятиях, связанных с электролизом величины рабочих токов, протекающих по контактным соединениям шин могут достигать порядка 300 кА) [44]. Но при оценке потерь электроэнергии составляющая потерь в КС изучена слабо, в то время, как результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о ее весомой величине [9,10]. Поэтому чрезвычайно важное значение приобретают вопросы, связанные с разработкой адекватного математического описания электрических контактов, которое позволит повысить уровень достоверности определения потерь электроэнергии в электрических сетях.
Известно, что процессы, протекающие в контактных соединениях электрических сетей, отличаются большой сложностью [26-52]. Поэтому, для создания более точной модели контактного соединения, необходимо знать и учитывать комплексно как можно больше основных технических характеристик, влияющих на функционирование электрических контактов.
А с учетом того, что в реальных условиях величину сопротивления многоамперных КС измерить достаточно сложно, а в ряде случаев невозможно и, кроме того, при монтаже электрооборудования значение ожидаемого сопротивления контакта необходимо знать еще до начала сборки - на стадии проектирования, требуется проведение расчетов. Поэтому, естественно, для получения достоверной информации о величине сопротивления КС, зависящей от разных факторов, необходимы алгоритмы расчета, которые наиболее полно учитывали бы особенности работы многоамперных КС при различных условиях.
Для этого необходимо провести всесторонний анализ влияющих факторов и с учетом существующих и модифицированных подходов разработать новые оптимальные алгоритмы программ, которые позволят по расчетным параметрам основных характеристик контактных соединений достоверно определить потери электроэнергии в электрических сетях.
Первым ученым, который всесторонне изучил основные свойства контактов и ввел научную систематизацию контактных явлений, был Рагнар Хольм [30]. Значительный вклад в изучение электрических контактов внесли: Е.К. Реутт, О.Б. Брон, Н.Н. Дзекцер, В.А. Книгель, И.Н. Саксонов, В.И. Бойченко, Н.Б. Демкин, В.В. Измайлов, Ю.С. Висленев, В.К. Новиков, Л.Г. Саргсян, К.Л. Карлсон, В. Мерл, И.С. Гершман, А.П. Долин, А.И. Плис, В.В. Усов.
В многочисленных работах как в нашей стране, так и за рубежом рассматриваются различные аспекты этой проблемы: -физико-механические свойства и микроструктура поверхностей контактных соединений [39-42, 45, 48-52, 54-56]; - стационарный нагрев и температура контакт-деталей [53, 57-62]; -влияние пониженного качества электроэнергии, характерное для электрических сетей России, на работу как отдельных электроприемников, так и всей системы [63-75]; -воздействие параметров окружающей среды на процесс коррозии металла электрических контактов [76-87].
Анализ отечественных и зарубежных работ [30-48], свидетельствует о том, что существующие способы расчета сопротивления контакта в основном ориентированы на контактные соединения, работающие на небольших токах; порядка 30-50А и слабо учитывают различные факторы, влияющие на работу соединения, такие как, неравномерность распределение магнитного поля, перегрев, и др.
Значительно меньше внимания уделялось изучению влияния отдельных показателей качества электроэнергии на работу многоамперных контактных соединений (КС). Тогда как многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, проведенные при непосредственном участии автора, показали, что несинусоидальность и несимметрия напряжения в значительной мере повышает величину потерь электроэнергии в КС [64-69,88-95].
Известные промышленные программно-вычислительные комплексы расчета потерь (например, СДО-6 г^Иркутск) позволяют выполнять расчеты с требуемым уровнем достоверности в зависимости от структуры и объема исходной информации. Однако они не приспособлены к учету несинусоидальности напряжения, дополнительных потерь в КС и выделению их в отдельную составляющую, что приводит к ошибочной оценке суммарных потерь.
Настоящая работа посвящена разработке новых многофакторных моделей контактных соединений и программных комплексов, реализующих эффективные методики расчета суммарных потерь электроэнергии, включая составляющую КС.
Таким образом, цель диссертационной работы состоит в создании многоуровневой математической модели многоамперных контактных соединений, разработке методик, алгоритмов и комплекса программ для расчета потерь электроэнергии в электрических сетях с учетом закономерностей и особенностей функционирования контактных соединений шин.
Для достижения указанных целей в работе решались следующие научно-технические задачи: структурный и количественный анализ потерь электроэнергии в электрических сетях и выявление тенденций изменения составляющих потерь в различных элементах сети, в том числе и многоамперных контактных соединениях шин; обоснование целесообразности выделения потерь в контактных соединениях в отдельную структурную составляющую; системный анализ факторов, степени их влияния на функционирование многоамперных контактных соединений и их электрическое сопротивление, определение структуры многоуровневой многофакторной математической модели; разработка алгоритма математического моделирования электрического сопротивления контакта; - экспериментальное исследование условий работы, параметров контактного соединения и оценка достоверности синтезированной многоуровневой модели; - разработка унифицированной электрической схемы замещения контактного соединения; разработка численного метода и программы расчета режима и потерь электроэнергии в электрической сети с применением схем замещения КС; создание комплекса программ, реализующего вычисление параметров КС, в зависимости от условий эксплуатации и расчет электрического режима и суммарных потерь с учетом составляющей КС.
На защиту выносятся следующие научные результаты. На основании структурного и количественного анализа суммарных потерь электроэнергии и их составляющих определена необходимость учета сопротивлений контактных соединений при выполнении расчетов режимов и потерь в электрических сетях. Обоснована целесообразность выделения дополнительных потерь, определяемых КС, на которые приходится до четверти суммарной величины потерь электроэнергии, в отдельную структурную составляющую суммарных потерь.
На основании проведенного системного анализа параметров контактных соединений и физических закономерностей в них выполнена оценка степени их собственного и взаимного влияния на величину результирующего электрического сопротивления.
Разработана многоуровневая математическая модель КС, формализующая и дифференцирующая (по значимости) воздействия эксплуатационных факторов на физические процессы переноса электрического заряда через фактические поверхности контактирования. Разделение математического описания по уровням позволяет определять значение контактного сопротивления с учетом лишь имеющихся исходных данных, при этом переход на каждый последующий уровень предусматривает более полное использование данных, обеспечивая уточнение значений сопротивлений и величины потерь в целом.
Предложено учитывать влияние контактного соединения на результаты расчетов электрических режимов и потерь электроэнергии путем включения в модель электрической сети нового элемента - контактного соединения. Разработана и теоретически обоснована схема замещения указанного элемента, включающая упорядоченную совокупность продольных и поперечных проводимостей, параметры которых являются многофакторными функциями. Проведена унификация схемы в виде П-образной схемы замещения фиктивной линии электропередачи для возможности учета сопротивлений контактных соединений в известных и модифицированных программах расчета режимов и потерь электроэнергии.
Разработан алгоритм расчета параметров режима электрической сети, включая потери электроэнергии в контактных соединениях, на основе использования матрицы узловых проводимостей и итерационного уточнения вектора невязок суммарных узловых токов.
Создан комплекс программ «КОНТАКТ», позволяющий эффективно выполнять расчеты параметров многоамперных КС шин электрических сетей, а также интеграцию в своей оболочке модифицированных функций и алгоритмов расчета электрических режимов и суммарных потерь электроэнергии в электрических сетях с учетом КС.
Практическое приложение результатов предполагает применение разработанных моделей и методик для оперативной и достоверной оценки параметров КС, опасности их выхода из строя и реального учета их электрических сопротивлений при проектировании и эксплуатации режимов электрических сетей. Разработанные алгоритмы и программно-аппаратное обеспечение направлены на практическое решение задач расчета потерь электроэнергии в реальных электрических сетях. Предложенная аналитическая многоуровневая математическая модель позволит прогнозировать величину потерь электроэнергии при различных схемно-режимных условиях эксплуатации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, трех приложений, включая материалы об использовании результатов. Общий объем 159 страниц. Основная часть изложена на 140 страницах, содержит рисунки на 25 страницах, таблицы - на 28 страницах. Приложения - 18 стр.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована ее цель, охарактеризована структура, определены методы исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, представлены сведения об использовании результатов работы.
В первой главе проведен анализ структуры потерь электроэнергии в электрических сетях для выявления составляющей потерь в многоамперных контактных соединениях.
Результаты этого анализа в распределительных сетях ряда энергоемких предприятий Братского промышленного района, при использовании приближенного коэффициента корректировки результатов с учетом контактных соединений, указали на значительную величину - 20-30% и тенденцию увеличения доли потерь электроэнергии в КС, что позволило сделать вывод о повышении актуальности совершенствования математических моделей, методик и создания автоматизированных процедур обработки исходной информации, обеспечивающих выполнение достоверных расчетов в электрических сетях с учетом составляющих потерь электроэнергии в контактных соединениях.
Вторая глава посвящена анализу существующих подходов, моделей и методов, используемых отечественными и зарубежными специалистами при оценке характеристик многоамперных контактных соединений. Выполнена классификация электрических контактов. Определены классификационные признаки, конкретизирующие область исследований, как синтез моделей неподвижных разборных болтовых многоамперных контактов.
Проведен системный анализ параметров контактных соединений и физических закономерностей в них, и оценена степень их собственного и взаимного влияния на величину результирующего электрического контактного сопротивления.
Существующее измерительное обеспечение для анализа и контроля сопротивления дорогостояще и не везде доступно, также затруднительно измерение контактного сопротивления на работающем высоковольтном оборудовании. Это еще раз подтвердило необходимость создания многофакторной математической модели для определения характеристик многоамперных контактных соединений шин, что позволит прогнозировать работу как электрического контакта с момента ввода его в эксплуатацию, так и всего электрооборудования электрических сетей в целом.
В третьей главе разработана многоуровневая математическая модель КС, формализующая и дифференцирующая по значимости воздействия эксплуатационных факторов на физические процессы переноса электрического заряда через фактические поверхности контактирования. В основу предложенного математического описания модели положено представление КС в виде отдельного электрического элемента цепи, имеющего определенную схему замещения.
Всесторонний анализ существующих подходов и методов оценки лияний различных факторов на контактное соединение позволили бобщить, уточнить и разработать основные положения по расчету тектрического контактного соединения.
В работе предложен системный подход проведения таких расчетов при [ределении потерь электроэнергии в электрических сетях.
Для определения контактного сопротивления разработана огоуровневая модель явлений, протекающих в КС, описывающая действие эксплуатационных факторов на процессы переноса ктрического заряда через фактические поверхности контактирования,
Контактное соединение при этом представляется как электрическая цепь, схема замещения которой теоретически обосновывается.
В соответствии с изложенными закономерностями разработан алгоритм расчета параметров предложенной многоуровневой математической модели многоамперного контактного соединения шин.
В четвертой главе представлен разработанный на основе предложенных математических моделей и алгоритмов программный комплекс «КОНТАКТ», составленный на языке DELPHI и FORTRAN с применением программно-вычислительной системы MathCAD. Комплекс предназначен для использования в электромонтажных организациях, в службах электроэнергетических систем и проектировщиками для расчета основных параметров многоамперных контактных соединений шин электрических сетей, а также для интеграции в своей оболочке модифицированных функций по расчету электрических режимов и суммарных потерь в электрических сетях с учетом КС.
Достоверность расчетов ПВК «КОНТАКТ» была подтверждена достаточным совпадением результирующих значений режимов и суммарных потерь электроэнергии, полученных для одних и тех же исходных схем и режимных данных с помощью эталонных программ.
1. ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В МНОГОАМПЕРНЫХ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ
Математическое моделирование начинается с формирования предмета исследований - системы понятий, отражающей существенные для моделирования характеристики объекта и включает три взаимосвязанных этапа [1]:
Составление математического описания изучаемого объекта.
Выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализация его в форме моделирующей программы.
Установление соответствия (адекватности) модели объекту.
На рис. 1.1. приведена общая схема разработки математической модели, включающая данные этапы.
Постановка задачи моделирования
Определение цели
Формулирование задачи, выоор параметров процесса
Установление адекватности модели объекту
Использование математической модели
Рис. 1.1. Этапы разработки математической модели Одним из наиболее важных аспектов (рис. 1.1) построения систем моделирования является проблема целевого назначения модели. Подобие процесса, протекающего в модели, реальному является не целью, а условием правильного функционирования модели, и поэтому в качестве цели ставится задача изучения какой-либо стороны функционирования объекта. В данной работе таким параметром выбираются дополнительные потери электроэнергии в электрических сетях за счет учета потерь в многоамперных контактных соединениях.
1.1. Анализ тенденций изменения составляющих потерь электроэнергии в различных элементах сети
Техническое состояние отечественных электрических сетей характеризуется достаточно высоким уровнем потерь - 12,75% от электроэнергии, отпускаемой в электрическую сеть [4]. В настоящее время потери электроэнергии в сетях энергосистем России составляют около ЮОмлрд.кВтчас в год. Дополнительно в распределительных сетях потребителей электроэнергии теряется более 35млрд.кВтчас в год. Гистограмма изменения потерь электроэнергии в сетях Минэнерго бывшего СССР и РАО «ЕЭС России» за последние 25 лет приведена на рис. 1.2. млрд '98 кВт*ч
ITS' 69 "9-.!%
10.3%
11.1%
12.3%
11.6%
12.75%
Рис. 1.2. Гистограмма изменения потерь
С целью изучения тенденций изменяемости составляющих потерь электроэнергии в различных элементах сети, выделения «очагов» потерь и оценки целесообразности того или иного мероприятия в [5] был выполнен анализ структуры потерь электроэнергии. Результаты такого анализа свидетельствует о том, что наибольший процент потерь приходится на распределительные сети промышленных предприятий черной и цветной
16 металлургии, химические, целлюлозно - бумажные и другие энергоемкие производства.
1.2. Структурный анализ потерь электроэнергии в электрических сетях Братского промышленного энергорайона
Братский, Усть-Илимский и Богучанский промышленные энергорайоны являются наиболее мощными, из входящих в состав северо-восточной части ОЭС Сибири. Основными источниками электроэнергии в этом регионе являются Братский и Усть-Илимский энергорайрны, в состав которых входят две мощные гидроэлектростанции и несколько тепловых электростанций.
Основными потребителями электроэнергии в Братском энергорайоне (рис. 1.3) являются Братский алюминиевый завод (БрАЗ), включающий Кремниевый завод, и Братский лесопромышленный концерн (БЛПК), включающий хлорный завод. Кроме того, здесь сосредоточено большое число тяговых подстанции (ТП) электрифицированного железнодорожного транспорта, на которых контактные соединения работают в более жестких условиях (резкопеременная нагрузка, несимметричная загрузка фаз и т.д.). В настоящее время существует достаточно много методов расчета потерь электроэнергии в сетях всех ступеней напряжения [11,12]. Основное направление совершенствования этих методов - максимально возможная их адаптация к информационной обеспеченности расчетов в каждой конкретной энергосистеме или электросетевом предприятии. Главная цель такого совершенствования - повышения точности и достоверности результатов расчетов потерь и их структуры.
Для расчета потерь электроэнергии в электрических сетях Братского энергорайона предприятием «Северные электрические сети» используется программно-вычислительный комплекс СДО-6, разработанный СЭИ и рекомендованный РАО «ЕЭС России» к применению в электроэнергетике, позволяющий различными методами, в зависимости от имеющейся исходной
Гидростроитель
9,29,25,21,2*
Т14 16*50
Энергетик-3
Рис. 1.3. Участок электрической сети Братского промышленного энергорайона информации, рассчитывать потери электроэнергии в сетях напряжением 35...500 кВ. Для участка схемы электрической сети (рис. 1.3.), питающейся от шин Братской ГЭС напряжением 220 кВ, была составлена расчетная схема замещения (Приложение 1) и выбран метод расчета по времени наибольших потерь [13,14]. Величины нагрузок в узлах для данной схемы в нормальном и максимальном режиме работы электрической сети приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Активная и реактивная нагрузка
Результаты расчета потерь электроэнергии на участке электрической сети Братского промышленного энергорайона в нормальном и максимальном режиме работы представлены в табл. 1.2,1.3 и в Приложении 1.
Таблица 1.2.
Потери мощности и потери напряжения в ЛЭП
Таблица 1.3. Потери мощности в трансформаторах
Потребляемая электроэнергия с шин Братской ГЭС для участка сети составляет 1595.337тыс. МВт-час, а потери электроэнергии с учетом значений табл. 1.2, 1.3 и приложения 1 будут равны: AW =9.3194-5908.8=55.0ббтыс. МВт -час.
Проведенные расчеты показали, что в электрических сетях Братского промышленного энергорайона в зависимости от графика электрических нагрузок теряется около 2.5% от электроэнергии, потребляемой в данной сети.
1.2.1. Расчет потерь электроэнергии в распределительных сетях
Как уже отмечалось, потери электроэнергии в распределительных сетях могут достигать 35% и выше от суммарных потерь. Но как показывает опыт, одним из наиболее трудоемких является расчет потерь электроэнергии именно в этих сетях, что связано с особенностями распределительных сетей, в первую очередь с большой протяженностью и разветвленностью сетей, большим объемом информации при одновременно низкой ее достоверности и особенно динамикой изменения режимных параметров сети. Для низковольтной сети напряжением 0.38кВ следует отметить и дополнительные особенности -различное исполнение участков (четырех-, трех- и двухпроводные); неравномерность загрузки фаз; неодинаковость фазных напряжений на шинах питающей трансформаторной подстанции.
Для определения потерь электроэнергии в распределительных сетях 6(10) кВ и во всех питающихся от нее линиях 0.38 кВ использовался программный комплекс РТП-3 [15,17], разработанный во ВНИИЭ и рекомендованный РАО «ЕЭС России» и ЦДУ ЕЭС России к применению в электроэнергетике.
В качестве схемной информации используется граф фидера с марками и длинами проводов, а также с установленными мощностями трансформаторных подстанций, в качестве режимной - измерения токов и напряжений в режимные дни или отпуск электроэнергии в сети за расчетный период.
На рис. 1.4. представлен граф электрической сети локомотивного депо станции Гидростроитель Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). ~J I bUUw A-95 A-95 A-95 A-95 Фидер 1 1 leOOw^J |5Q0m_J |750и 1 A-120C450jvO + 2 ОБ Зк 120(92*0 A-120( 170w) + 2АСБ 3x185^350^])^^^ 2 | " iamLl_ 2АСБ 3x185 (160*0 A-95 Фидер 3
А-95(б50эт} ±25QW^ M3QQM_J I 200,«
2АСБ Зх24О(12Оіу0 :ч;7*та-
2АСБ 3x120 АСБ 3x95 A-95 -reoJ- A-95 *идер 4 ~ ,,~J T 2АСБ 3x240 (100ія)-і
А-95(650м )
Рис. 1.4. Распределительная сеть локомотивного депо
Суммарные потери электроэнергии в распределительной сети локомотивного депо (табл. 1.4) равны 275.37МВт-час, что составляет 3.4% от электроэнергии, потребляемой с шин 6 кВ станции Гидростроитель.
Распределительная сеть хлорного завода значительно разветвлена, поэтому она представляется в виде эквивалентной схемы нагрузки (рис. 1.5), на которой указаны марки проводов, количество и длина ЛЭП, а также паспортные данные трансформаторов. Результаты расчетов потерь электроэнергии в фидерах приведены в табл. 1.5.
^гА-70 ^7А-25 L=0.063 км ч S„ =0.4 MB. U„om=10kB Рх =5.2 кВт UK=5.5% Рх=1.1 кВт L=0.12km S„ =32 MBA Uhom=10kB Рк =136 кВт ик=п%
Рх=29.5 кВт т -л cw_ L=0.178 км ^7 А-50 г0=0.62 Ом/км ., Хо=0.103 Ом/км >о=12.45*10б См/км ,=0 14 км л=4 SH=25MBA Uhom=10kB Ю Рк =122 кВт "** UK=11.2% Рх=17.3 кВт
Т — П /СОР/
0.45кВ
А-25 L=0.36 км п=8
44.25+J17.1
22.8+J8
0.45кВ
А-25 L=0.65 км
0.6+J0.08 ^7А-35 Л L=0.554 км S„ =1 MBA U„o„ =10 кВ Рк =11.3 кВт UK=5.6% Рх=2.3 кВт
Т — і о/ YA-25
1/=0.11 км Ai= 14.03+J5.11 Рис. 1.5. Эквивалентная схема нагрузки Братского хлорного завода. Таблица 1.4. Потери в ЛЭПЮкВ. кВт-ч | 157.058 | 141.869 Суммарные потери. кВт-ч|83б4.792|7541.561 [Наименование Суммарное потребление кВтч Потери в трансформаторах. кВт-ч Потери в ЛЭПЮкВ. кВт-ч Суммарные потери. кВт-ч Суммарное потребление кВт-ч Потери в трансформаторах. кВт-ч Потери в ЛЭПЮкВ. кВт-ч Суммарные потери. кВт-ч Суммарное потребление кВт ч Потери в трансформаторах. кВт-ч Потери в ЛЭПЮкВ. кВт-ч Суммарные потери. кВт-ч Суммарное потребление кВт-ч Потери в трансформаторах. кВт-ч Значения составляющих потерь электроэнергии по фидерам [Январь [Февраль Март [Апрель Май [Июнь [июль ІАвгуст [Сентябрь Октябрь [Ноябрь [Декабрь ] Фидер 1 | 484880 | 535100 11916.96 10016.94 10463.51 8700.156 11792.785 10984.20 8201.872 8287.832 9678.669 646660 | 684820 12453.89 1488.637 1221.03 1270.227 1104.701 1162.88 1252.223 13045.0071 1556.935 13405.6 14010.83 11237.97 11733.74 9804.857 Фидер 2 1602 1486.018 9364.752[9389.167|10876.44 12215.60 2431 | 4037 | 6251 1491.418 1442.068 1487.294 1438.08 42.493 0 | 42.493 [ 43.91 1495.121 1358.925 "5 0 1487.29411480.57311529.927Д 1530.211 Фидер 3 2223.344 2297.229 2295.628 Фидер 4 1 81740 J 85720 | 99970 | 103880 | 57680 | 52980 69820 8087.107 8207.734 7399.692 7837.939 8100.733 7854.994 61.083 67.551 78.529 7905.491(8179.262 7939.44 8148.189 1495.12111358.925|1491.418|1484.562 Таблица 1.5. На рис. 1.6 приведена эквивалентная схема нагрузки распределительных сетей КПП-15(16) БрАЗа. Мощность преобразовательных установок БрАЗа превышает 2000 МВт. Питание установок завода осуществляется с шин ОРУ-220 кВ БрГЭС, посредством 12 линий электропередач. Результаты расчетов потерь электроэнергии в распределительной сети КПП-15,(16) в представлены в табл. 1.6. 11 кВ ^ А-50 г0=0.62 Ом/км х0=0.103 Ом/км S„ =50 MBA Uhom=10kB Рк =217 кВт Ux=9.8% Рх=33 кВт Ix=0.63% N= ф Ьо=12.45*КГ6 См/км Т.=0 Ч км п=16 ТА-50 L=0.3 км Жп-4 Х„ =0.35 Ом 0.45 кВ А-25 L=0.150km А-25 L=0.7 км Ап=7 115.4-439.3 T20.6+J8.54 Рис. 1.6. Эквивалентная схема замещения нагрузки КПП-15(16) БрАЗа Таблица 1.6. Потери электроэнергии на КПП-15(16) БрАЗа Результаты расчета абсолютных и относительных потерь электроэнергии за год в электрических сетях Братского промышленного энергорайона и в распределительных сетях хлорного завода БЛПК, кремниево-преобразовательной подстанции БрАЗа и тяговой подстанции Гидростроитель сведены в табл. 1.7. Таблица 1.7. Структура потерь электроэнергии за год в электрических сетях Братского энергорайона Итого Суммарные потери электроэнергии в электрических сетях Братского энергорайона с учетом значений табл. 1.7. равны 94тыс. МВт-час, из них в распределительных сетях теряется 38.94тыс.МВт-час, что составляет 41% от суммарных потерь. 1.2.2. Определение потерь электроэнергии в контактных соединениях распределительных сетей Результаты экспериментальных исследований, проведенных на энергоемких предприятиях, показывают, что значительная часть электроэнергии теряется в местах присоединения электрооборудования к шинопроводам и токопроводам, т.е. в контактных соединениях (КС) [9]. Так, согласно [10], в электролизной промышленности потери электроэнергии в КС ошиновок достигают 30% от общих потерь на рассматриваемом энергообъекте. В представленных выше расчетах значения потерь электроэнергии (табл. 1.7) не учитывают потери в электрических контактных соединениях. Для выявления процентного соотношения потерь электроэнергии в КС электрических сетей энергоемких промпредприятий, произведен их расчет по методике, предложенной в [20], позволяющей учитывать потери в контактных соединениях шин, в зависимости от их количества и геометрических размеров. Для этого в формулу расчета потерь активной мощности в шинопроводах и токопроводах вводится коэффициент К (приложение 1). Если отношение (М) среднего значения длины соединения (L) к среднему значению ширены (Н) для N контактных соединений 1<М<1.5, то К принимается равным 1.2. Если 1.5^4<2м2, то К=1.4 и если 2<М<4м\ то К=1.6. Расчет потерь электроэнергии в контактных соединениях приводится на примере распределительных сетей кремниево -преобразовательной подстанции БрАЗа. Расчет потерь электроэнергии в контактных соединениях КПП БрАЗа проводился с учетом того, что в ЗРУ 10 кВ для соединения силовых трансформаторов, работающих раздельно, использованы жесткие токопроводы с шинами коробчатого сечения типа АДО 2-(100x45x6 мм). От силовых трансформаторов до здания ЗРУ 10 кВ расположена эстакада, по которой на изоляторах укреплены две шины швеллерной формы 100x45x6 мм на номинальный ток 3500 А. Шинные пакеты собраны из восьми алюминиевых шин марки АДО сечением 35x310 мм . Спуски к электролизерам представляют собой гибкие токопроводы, выполненные из медных проводов. Межванная ошиновка цехов электролиза на заводе выполнена также из меди. Среднее напряжение серии Uc составляет 850 В, средний ток серии Ic = 160 кА. Результаты расчета потерь электроэнергии в контактных соединениях сборных шин 10 кВ КПП-15 сведены в табл. 1.8. Таблица 1.8. Потери электроэнергии в КС КПП-15(16) Братский, Усть-Илимский и Богучанский промышленные энергорайоны являются наиболее мощными, из входящих в состав северо-восточной части ОЭС Сибири. Основными источниками электроэнергии в этом регионе являются Братский и Усть-Илимский энергорайрны, в состав которых входят две мощные гидроэлектростанции и несколько тепловых электростанций. Основными потребителями электроэнергии в Братском энергорайоне (рис. 1.3) являются Братский алюминиевый завод (БрАЗ), включающий Кремниевый завод, и Братский лесопромышленный концерн (БЛПК), включающий хлорный завод. Кроме того, здесь сосредоточено большое число тяговых подстанции (ТП) электрифицированного железнодорожного транспорта, на которых контактные соединения работают в более жестких условиях (резкопеременная нагрузка, несимметричная загрузка фаз и т.д.). В настоящее время существует достаточно много методов расчета потерь электроэнергии в сетях всех ступеней напряжения [11,12]. Основное направление совершенствования этих методов - максимально возможная их адаптация к информационной обеспеченности расчетов в каждой конкретной энергосистеме или электросетевом предприятии. Главная цель такого совершенствования - повышения точности и достоверности результатов расчетов потерь и их структуры. Для расчета потерь электроэнергии в электрических сетях Братского энергорайона предприятием «Северные электрические сети» используется программно-вычислительный комплекс СДО-6, разработанный СЭИ и рекомендованный РАО «ЕЭС России» к применению в электроэнергетике, позволяющий различными методами, в зависимости от имеющейся исходной информации, рассчитывать потери электроэнергии в сетях напряжением 35...500 кВ. Для участка схемы электрической сети (рис. 1.3.), питающейся от шин Братской ГЭС напряжением 220 кВ, была составлена расчетная схема замещения (Приложение 1) и выбран метод расчета по времени наибольших потерь [13,14]. Величины нагрузок в узлах для данной схемы в нормальном и максимальном режиме работы электрической сети приведены в табл. 1.1. Результаты расчета потерь электроэнергии на участке электрической сети Братского промышленного энергорайона в нормальном и максимальном режиме работы представлены в табл. 1.2,1.3 и в Приложении 1. Потребляемая электроэнергия с шин Братской ГЭС для участка сети составляет 1595.337тыс. МВт-час, а потери электроэнергии с учетом значений табл. 1.2, 1.3 и приложения 1 будут равны: Проведенные расчеты показали, что в электрических сетях Братского промышленного энергорайона в зависимости от графика электрических нагрузок теряется около 2.5% от электроэнергии, потребляемой в данной сети. Как уже отмечалось, потери электроэнергии в распределительных сетях могут достигать 35% и выше от суммарных потерь. Но как показывает опыт, одним из наиболее трудоемких является расчет потерь электроэнергии именно в этих сетях, что связано с особенностями распределительных сетей, в первую очередь с большой протяженностью и разветвленностью сетей, большим объемом информации при одновременно низкой ее достоверности и особенно динамикой изменения режимных параметров сети. Для низковольтной сети напряжением 0.38кВ следует отметить и дополнительные особенности -различное исполнение участков (четырех-, трех- и двухпроводные); неравномерность загрузки фаз; неодинаковость фазных напряжений на шинах питающей трансформаторной подстанции. Для определения потерь электроэнергии в распределительных сетях 6(10) кВ и во всех питающихся от нее линиях 0.38 кВ использовался программный комплекс РТП-3 [15,17], разработанный во ВНИИЭ и рекомендованный РАО «ЕЭС России» и ЦДУ ЕЭС России к применению в электроэнергетике. В качестве схемной информации используется граф фидера с марками и длинами проводов, а также с установленными мощностями трансформаторных подстанций, в качестве режимной - измерения токов и напряжений в режимные дни или отпуск электроэнергии в сети за расчетный период. На рис. 1.4. представлен граф электрической сети локомотивного депо станции Гидростроитель Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Суммарные потери электроэнергии в распределительной сети локомотивного депо (табл. 1.4) равны 275.37МВт-час, что составляет 3.4% от электроэнергии, потребляемой с шин 6 кВ станции Гидростроитель. Распределительная сеть хлорного завода значительно разветвлена, поэтому она представляется в виде эквивалентной схемы нагрузки (рис. 1.5), на которой указаны марки проводов, количество и длина ЛЭП, а также паспортные данные трансформаторов. Результаты расчетов потерь электроэнергии в фидерах приведены в табл. 1.5. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на энергоемких предприятиях, показывают, что значительная часть электроэнергии теряется в местах присоединения электрооборудования к шинопроводам и токопроводам, т.е. в контактных соединениях (КС) [9]. Так, согласно [10], в электролизной промышленности потери электроэнергии в КС ошиновок достигают 30% от общих потерь на рассматриваемом энергообъекте. В представленных выше расчетах значения потерь электроэнергии (табл. 1.7) не учитывают потери в электрических контактных соединениях. Для выявления процентного соотношения потерь электроэнергии в КС электрических сетей энергоемких промпредприятий, произведен их расчет по методике, предложенной в [20], позволяющей учитывать потери в контактных соединениях шин, в зависимости от их количества и геометрических размеров. Для этого в формулу расчета потерь активной мощности в шинопроводах и токопроводах вводится коэффициент К (приложение 1). Если отношение (М) среднего значения длины соединения (L) к среднему значению ширены (Н) для N контактных соединений 1 М 1.5, то К принимается равным 1.2. Если Расчет потерь электроэнергии в контактных соединениях приводится на примере распределительных сетей кремниево -преобразовательной подстанции БрАЗа. Расчет потерь электроэнергии в контактных соединениях КПП БрАЗа проводился с учетом того, что в ЗРУ 10 кВ для соединения силовых трансформаторов, работающих раздельно, использованы жесткие токопроводы с шинами коробчатого сечения типа АДО 2-(100x45x6 мм). Как известно, важнейшим параметром, характеризующим электрический контакт, является его электрическое сопротивление RK. Для двух плоских проводников сопротивление контакта (R представляет собой сумму переходного сопротивления (Rnep) и сопротивления (ІЇщ) собственно контактных элементов, образующих нахлесточное соединение: В [30] показано, что сопротивление R/Ul можно определить, как: где Rm - сопротивление проводника, длиной равной длине соединения. Длину соединения рекомендуется [40] принимать равной 10-кратной толщине шины. Наибольшую сложность вызывает определение величины переходного сопротивления, которое зависит от множества факторов и под их воздействием, в процессе эксплуатации КС может увеличиваться в 2... 10 раз. Величина Rmp складывается из сопротивления, возникающего вследствие сужения линий тока в местах металлического контакта, и сопротивления посторонних пленок, проводящих электрический ток. Поверхности контактных элементов, как и всякого твердого тела, обладают шероховатостью и волнистостью [41,42]. Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой 0.05...0.2 мкм, наиболее грубые выступы высотой 100...300 мкм. Наличие шероховатостей приводит к тому, что две поверхности контактируют только в отдельных точках, совокупность которых образует фактическую площадь касания контакта. Фактическая площадь касания с точки зрения электропроводности состоит из следующих участков [43]: 1) участки с металлическим контактом, образованные при разрушении непроводящих пленок на контактных поверхностях; 2) участки с квазиметаллическим контактом - поверхности покрыты тонкими пленками, ток через них проходит благодаря туннельному эффекту; 3) участки, покрытые пленками, не проводящими электрический ток. Размеры зон металлического и квазиметаллического контактов (эффективная контактная поверхность) оказывают решающее влияние на переходное сопротивление. Математически эта теория для многоточечного контакта нашла отражение в формуле [33]: где р -удельное сопротивление; Аг - фактическая площадь касания. В уравнении (2.3) значение Rnep, зависит от параметров контактирования поверхностей, которые, в свою очередь, находятся в прямой зависимости от сжимающего усилия Р: где Р - нормальное усилие сжатия контактирующих элементов; Нв - твердость контактных поверхностей. Изучение вопросов контактирования твердых тел позволило в [44,45] получить зависимость переходного сопротивления и от физико-механических свойств и микрорельефа контактных поверхностей, как: где є - коэффициент, учитывающий физические свойства материала контактов и характер их обработки; т=0,3...1 - коэффициент, зависящий от формы контактов. Контактное сопротивление RK. чувствительно к состоянию контактной поверхности, и особенно велико на него влияние посторонних пленок [46], так как оксиды многих металлов не являются проводниками. На образование пленок существенное влияние оказывают влажность и температура окружающей среды, температура собственно контактного соединения, агрессивность среды, а также атмосферное давление, солнечная радиация и т.п. При увеличении температуры интенсивность образования посторонних пленок увеличивается. Возникновение посторонних пленок и их последующий рост вызывает уменьшение фактической площади касания, это ведет увеличению переходного сопротивления. Для разрушения пленок на контактных поверхностях используют способ тангенциального сдвига [47], в основу которого положен вывод о том, что решающее влияние на разрушение этих пленок оказывает тангенциальный микросдвиг шин силами FT при наличии нормальной нагрузки Р. В рассмотренных работах для определения параметров контактирования поверхностей используется модельная теория контакта, в основе которой лежит следующая гипотеза: выступы на контактной поверхности имеют одинаковую форму; распределение неровностей происходит по нормальному закону. На самом деле форма микровыступов различна и зависит от многих факторов. Особенно это необходимо учитывать в многоамперных контактных соединениях шин [47,48]. В табл.2.2 приведены типичные значения форм и площадей касания КС, полученные аналитическим путем и экспериментально [48]. Разница между результатами составляет не более 15%. Данные значения можно использовать как табличные для расчета параметров КС с аналогичными геометрическими характеристиками. Как видно из выражения (2.5) характер контактирования шероховатых поверхностей зависит от действия нормальной нагрузки, а также от предыстории нагружения [49]. Так, при первоначальном затягивании болтов происходит пластическая деформация микровыступов, приводящая к разрушению окисных пленок и способствующая формированию большей площади касания, что, приводит к снижению сопротивления. Но при разгрузке образцов за счет упругих свойств материала, происходит уменьшение площади касания. На микровыступах, свободных от окисных пленок и вышедших из контакта, вновь образуется слой окисла. При повторных усилиях сжатия происходит преимущественно упругая деформация, поэтому пленки разрушаются в меньшей степени. Сопротивление электрических контактов, работающих в таких условиях, значительно возрастает (отЗО до 100%). Возвращаясь к вопросу синтеза многоуровневой модели, еще раз отметим, что разделение данной модели на уровни позволяет с учетом имеющейся исходной информации определить значение контактного сопротивления, т.е. из-за недостатка исходных данных любой уровень при расчетах может быть пропущен. Каждый последующий уровень предусматривает уточнение величины сопротивления, тем самым, обеспечивая более точное определение потерь электроэнергии в многоамперных контактных соединениях шин и электрических сетях в целом. Предложенная математическая модель позволяет также определить величину теплового сопротивления контактного соединения и температуру самой нагретой точки в зоне контактного стыка [59], что позволит уточнить значение параметра в (3.17.), в зависимости от указанной температуры. Схема замещения тепловых процессов в контактном соединении приведена на рис.3.11. Разность температур AT между основаниями микровыступов определяется как: Ті где hcp - средняя высота микровыступов; b=d/7t, d - диаметр контактных площадок. Для контактных соединений шин с усилием сжатия 10 МПа при h =2b AT будет равно: Т -Т 2 Тогда соотношения между элементами схемы замещения можно записать: Значения тепловых сопротивлений в области контактирования RmM и воздушных прослоек Rm.e определяются приложенным давлением, физико-механическими свойствами и. микрогеометрией соприкасающихся поверхностей. Тогда тепловое сопротивление можно определить по выражению: где h- средняя толщина зазора; Ав - площадь воздушных прослоек, равная разности номинальной площади Аа и фактической Ar; а - радиус контактной площадки; ув- теплопроводность воздуха или металла, заполняющего пустоты между микровыступами; ум - теплопроводность металла. Учет всех вышеперечисленных явлений позволяет с высокой точностью определить величину теплового сопротивления электрического контакта, что в соответствии с [104] дает возможность найти температуру наиболее нагретой точки контактного соединения по выражению: где Г0 - температура окружающей среды; Rj - тепловое сопротивление КС; ЛРкс потери активной мощности в КС. Описательный алгоритм расчета теплового сопротивления приведен на рис.3.12, а значения рассчитанные в соответствующем программном блоке по формулам (3.33-3.35) и полученные экспериментально путем непосредственного измерения температуры в зоне контактного стыка при помощи термометра, значения приведены в табл. 3.5. Для экспериментального определения температуры в наиболее нагретой точке контактного соединения, находящегося в работе под высоким напряжением используют тепловизоры [108]. На рис. 3.13. представлена картина тепловизионного обследования контактного соединения в распределительном устройстве 0.4 кВ на вводе трансформатора ТР-2 трансформаторной подстанции (ТП-1) одного их локомотивных депо. Ввод ТР-2. Недопустимый нагрев контактов в точках а и е Последующая обработка полученных результатов с помощью стандартной компьютерной программы [108] позволила сделать вывод, что для данного КС требуется немедленный ремонт. Значения переходного и теплового сопротивлений позволяют судить о техническом состоянии контактных соединений. А контроль изменения их во времени дает возможность определять параметры срока службы электрических контактов. Зависимость изменения сопротивления от времени выражается формулой [104]: где a=2D/2a2n: для меди п=0.1\ для алюминия п=0. Об. Если за критерий отказа КС принять увеличение величины сопротивления в N раз по сравнению с первоначальным значением, то срок службы определится по выражению: где O T/Tnj,; Tm - температура плавления более легкоплавкого из материалов контакт-деталей; В - коэффициент, зависящий от механизма диффузии; а- средний радиус пятна контакта шероховатых поверхностей, который может быть оценен, как: где Н - микротвердость более мягкой контакт-детали. Наиболее вероятные значения параметров D0 и В приведены в [48] и составляют: для алюминия: B=ll; D0=10 м /с. Значения срока службы, рассчитанные по данной формуле (табл.3.6), хорошо совпадают с экспериментальными данными, представленными в работе [47] для различных контактов. При расчетах принято N=5; Т=473К. Кроме того, в [70] предложен коэффициент КАР, представляющий собой отношение суммарных потерь мощности с учетом высших гармонических Для выбора вида профиля имеется отдельное окно в меню «Библиотека» - «Геометрические размеры» - «Вид профиля», в котором наглядно представлены четыре вида профиля: круглый, прямоугольный, "швеллер" и двутавровый профиль. И в зависимости от выбранного профиля активизируются поля ввода геометрических размеров для этого профиля. 3. Влияющие факторы: - нагрузка на контактирующие поверхности, Н; - температура воздуха, К; - ток, протекающий по КС, А; - номера гармоник. 4. Дополнительная информация: - время эксплуатации, ч; - влажность, %; - агрессивные аэрозоли и пыль. - защитные смазки. Данная вкладка содержит информацию о гладких, продольно гофрированных и поперечно гофрированных платах тока и о смазках литол, технический вазелин, ЦИАТИМ-221, карбонильно- никелевая, Contactol HPG, «Суперконт» и «Экстраконт». В подпрограмме также организована таблица базы данных, которая может пополняться пользователем непосредственно из программы, увеличивая набор имеющихся характеристик. Интерфейс подпрограммы предусматривает поясняющие рисунки, которые упрощают работу пользователя и не требуют его предварительной подготовки. После выполнения расчета подпрограмма позволяет выбрать процедуру печати протокола работы на принтер, предварительно настроив параметры печати, вызвав функцию АРІ (для пользователя вызов выглядит в виде выбора пункта меню). ПЭКС работает под управлением графической оболочки Windows, поэтому все принципы работы с графическими приложениями действительны и при использований этой программы. Результаты расчета сопротивления КС и потерь активной мощности в них по исходным данным, приведенным в табл. 4.1 представлены на рис.4.3 и Следует помнить о том, что в компьютере IBM PC имеется аппаратная возможность идентификации ошибки деления на ноль. Поэтому, если вместо результатов расчета на экране дисплея появится фраза «Division by zero», то это будет означать, что данные для расчета введены неверно или некорректно и необходимо после корректировки данных повторить процедуру расчета. В электрической сети хлорного завода представлены контактные соединения, работающие при различных токах, 900...50000 А, их характеристики приведены в табл.4.2. Расчетные параметры контактных соединений хлорного завода БЛПК представлены в табл. 4.3. По результатам расчета получили, что потери электроэнергии в контактных соединениях шин с учетом (1.1-1.3) составили: 0:726.5908.100% = 27% 15902 В соответствии с [47] КС шин на токи 3...200 кА отличаются от аналогичных соединений на/ 3 кА меньшей стабильностью, что и объясняет значительную разницу в расчетах по методике , приведенной в [9] (потери составили 22%), и с помощью разработанной многоуровневой модели. Особенностью контактных соединений в условиях электролизного производства является протекания по ним сверхбольших токов промышленной частоты, а следовательно и значительных токов высших гармоник при повышенной агрессивности рабочей среды, что приводит к значительному увеличению контактного сопротивления и температуры КС. Кроме того, причиной повышенного нагрева шин (ТК 95С) является недостаточно плотное контактирование выводов электрооборудования и шин из-за жесткости материала контакт-деталей. В свою очередь повышенный нагрев уменьшает усилие сжатия КС из-за текучести материалов, что приводит к дальнейшему росту нагрева соединения. Все это позволила учесть методика расчета, используемая в многоуровневой математической модели. В табл.4.4 для рассматриваемых многоамперных контактных соединений на хлорном заводе приведены результаты расчетов теплового сопротивления, температуры наиболее нагретой точки КС, значения срока службы и относительного сокращения срока службы из-за наличия в электрической сети высших гармонических составляющих.Структурный анализ потерь электроэнергии в электрических сетях Братского промышленного энергорайона
Электрическое сопротивление контактных соединений
Уточнение параметров модели с учетом теплового сопротивления
Подпрограмма определения характеристик контактных соединений
Похожие диссертации на Математическое моделирование многоамперных контактных соединений для расчета дополнительных потерь электроэнергии в электрических сетях
