авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Расчет температуры и потерь электрической энергии в самонесущих изолированных проводах воздушных линий электропередачи электроэнергетических систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бубенчиков Антон Анатольевич

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В САМОНЕСУЩИХ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.14.02 – «Электрические станции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОМСК 2012

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Гиршин Станислав Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сидоров Олег Алексеевич

зав. кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС (ОмИИТ)

кандидат технических наук, доцент

Татевосян Андрей Александрович

доцент кафедры «Электрическая техника",

ОмГТУ

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Защита диссертации состоится 15 марта 2012 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.12 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел/факс: (8-3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета по адресу: г. Омск, проспект Мира, 11.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, диссертационный совет.

Автореферат разослан 6 февраля 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д. С. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Величина потерь энергии в электрических сетях ОАО «ФЭК ЕЭС», ОАО «Холдинг МРСК» по различным оценкам в последние годы составляет 12-13%, что значительно превышает уровень потерь в сетях стран западной Европы, США и Японии. По этой причине и в связи с тем, что энергосбережение и энергоэффективность выдвигается правительством России как приоритетное направление развития, снижение потерь энергии является актуальной проблемой.

Существенный вклад в решение вопросов расчета потерь электрической энергии внесли: Арзамасцев Д.А., Бартоломей В.И., Бердин А.С., Веников В.А., Воротницкий В.Э., Герасименко А.А., Железко В.С., Ершевич В.В., Идельчик В.И., Калинкина М.А., Кононов Ю.Г., Конюхова Е.А., Курбацкий В.Г., Левченко И.И., Левин М.С., Никифоров Е.П., Паздерин А.В., Пекелис В.Г., Поспелов Г.Е., Потребич А.А., Савин Н.В., Строев В.А., Фурсанов М.И., Щербина Ю.В. и другие отечественные и зарубежные ученые.

Значительная доля потерь энергии в электрических сетях приходится на нагрузочные потери в проводах воздушных линий электропередачи. Использование новых типов линий – самонесущих с изолированными проводами (СИП) ­– позволяет уменьшить потери напряжения в сети, сократить эксплуатационные расходы, и имеет ряд других достоинств. Однако недостаточная исследованность СИП, с одной стороны, и повышение актуальности задач анализа и снижения потерь энергии с другой предъявляет повышенные требования к точности расчета электрических потерь в СИП. Одним из способов снижения погрешностей соответствующих расчетов является учет температуры проводов.



Цель работы повышение точности расчетов температуры и потерь электрической энергии в самонесущих изолированных проводах воздушных линий электроэнергетических систем на основе учета характерных особенностей и взаимного влияния токопроводящих жил.

Задачи исследования.

  1. Разработать цепно-полевой подход расчета температуры и потерь электрической энергии в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов воздушных линий электропередачи.
  2. Создать математические модели определения потерь электрической энергии в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов с учетом температуры токопроводящих жил, основанные на использовании собственных и взаимных тепловых сопротивлений.
  3. Провести исследование потерь электрической энергии в симметричных и несимметричных режимах эксплуатации самонесущих изолированных проводов.

Объект исследования - самонесущие изолированные провода воздушных линий электропередачи электроэнергетических систем.

Предмет исследования - методы расчета температуры и потерь электрической энергии в самонесущих изолированных проводах воздушных линиях электроэнергетических систем с учетом режимных и климатических факторов.

Методы исследования. При выполнении работы использовались: метод конечных элементов, теория теплопередачи, элементы теории электрических цепей, дифференциальные уравнения в частных производных. Математическое моделирование проводилось в программных средах MathCAD и в программных комплексах Ansys и ElCut. Экспериментальная часть исследований выполнена на базе сетей Омского филиала «МРСК Сибири» на подстанции «Дружино» 10/0,4 кВ. Измерение температуры проводилось тепловизионным комплексом NEC 7700TH. Изменение скорости и направления ветра осуществлялось анемометром TESTO 416. Величины фазных токов определялись посредством измерительно-вычислительного комплекса «ОМСК-М».

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • Определены соотношения описывающие распределение температуры в изоляции СИП с учетом и без учета диэлектрических потерь. Обоснована возможность пренебрежения диэлектрическими потерями при исследовании тепловых процессов в СИП;
  • Найдены выражения для коэффициентов теплоотдачи самонесущих изолированных проводов воздушных линий при естественной и вынужденной конвекции, определенные на основе числовых критериев подобия Нуссельта, Грасгофа, Прандтля и Рейнольдса;
  • Получены зависимости собственных (фазных) и взаимных (междуфазных) тепловых сопротивлений четырехпроводной системы СИП от коэффициентов теплоотдачи конвекцией и теплопередачи излучением и разработана основанная на расчете тепловых полей методика определения параметров схем замещения тепловых режимов самонесущих изолированных проводов для расчетов потерь электрической энергии;
  • Разработаны алгоритмы и программа для расчета потерь электрической энергии в четрехпроводной системе самонесущих изолированных проводов, основанные на использовании собственных и взаимных тепловых сопротивлений, найденных в результате исследования особенностей распределения тепловых полей методом конечных элементов;
  • Установлено, что несимметрия режима и температурная зависимость активных сопротивлений могут практически на порядок увеличить потери электрической энергии в четырехпроводной системе СИП по отношению к симметричному режиму.

Практическая ценность.

  • Выведенные соотношения для нахождения распределения температуры в изоляции СИП дают возможность формирования математических моделей для расчета потерь электрической энергии, с учетом характерных особенностей рассматриваемого типа проводов;
  • Найденные выражения для коэффициентов теплоотдачи самонесущих изолированных проводов воздушных линий при естественной и вынужденной конвекции отличаются от известных выражений тем, что позволяют проводить анализ потерь энергии с учетом совместного влияния температуры окружающей среды и атмосферного давления;
  • Полученные зависимости собственных и межфазных тепловых сопротивлений СИП в несимметричном режиме от коэффициентов теплоотдачи конвекцией и теплопередачи излучением и разработанная методика определения параметров схем замещения тепловых режимов повышают достоверность расчетов потерь в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов для произвольного вида несимметрии;
  • Разработанные алгоритмы и программа определения потерь электрической энергии в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов, основанные на использовании собственных и взаимных тепловых сопротивлений, отличаются возможностью подробного учета особенностей исследуемого типа проводов при необходимой на практике точности, простоте подготовки исходных данных и анализе результатов расчета;
  • Проведенные исследования тепловых полей в четырехпроводной системе самонесущих изолированных проводов позволяют определять параметры схем замещения рассматриваемых проводов, повысить точность расчета потерь электрической энергии и проводить количественные сравнения величин потерь в симметричных и несимметричных режимах.

Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных измерений температуры проводов на подстанции «Дружино» 10/0,4 кВ г. Омска. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышают 7,2 %, а разности экспериментальных и расчетных значений температур – 1,2°C.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных в диссертации исследований по расчету температуры и потерь электрической энергии в самонесущих изолированных проводах воздушных линий электроэнергетических используются в ООО «Юнг – Энергонефть» г. Нефтеюганск; предложенные математические модели, алгоритмы, программа применяются в научно - исследовательской работе и учебном процессе Омского государственного технического университета (ОмГТУ) при подготовке инженеров, бакалавров, магистров энергетического института ОмГТУ.

Личный вклад соискателя. Постановка задач исследования, определение путей их решения, разработка математических моделей, алгоритмов, методов, анализ, обобщение, проверка достоверности исследований, полученные научные результаты и выводы принадлежат автору.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (Омск, 2010г.), Всероссийской научно – технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2009г.), Региональной молодежной научно – технической конференции «Омское время – взгляд в будущее» (Омск, 2010г.), научных семинарах кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Энергетического института ОмГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 названий, содержит 154 стр. основного текста, 23 рис., 30 табл. на 23 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель и задачи исследования, отражена структура диссертации, охарактеризована научная новизна и практическая ценность результатов исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены актуальные задачи учета температуры самонесущих изолированных проводов при расчете потерь энергии в воздушных линиях электроэнергетических систем, проведен анализ эффективности применения самонесущих изолированных проводов в современных электроэнергетических системах, показана необходимость учета температуры в проводах воздушных линий электропередачи (ВЛЭП), выполнен обзор методов расчета потерь энергии в ВЛЭП и проведен анализ методов расчета тепловых полей.

Самонесущие изолированные провода обеспечивают высокую надежность и значительное сокращение затрат на обслуживание. Целесообразность преимущественного использования СИП в электроэнергетических системах отмечается в главе 2.4 ПУЭ и в «Положении о технической политике в распределительном электросетевом комплексе», утвержденном в 2006 г. совместным распоряжением ОАО РАО «ЕЭС России» и ОАО «ФСК ЕЭС».





Основные преимущества СИП:

  • практически исключаются короткие замыкания на землю и между проводами отдельных фаз;
  • снижение потерь напряжения благо­даря снижению реактивного сопротивле­ния линии - 0,1 Ом/км по сравнению с 0,35 Ом/км для неизолированных проводов (при 0,4 кВ);
  • обеспечиваются потенциально более высокие допустимые токовые и температурные нагрузки, чем у неизолированных проводов аналогичного сечения;
  • исключается возможность хищения электрической энергии путем прямого подключения к линии, и т.д.

Необходимость решения проблемы энергосбережения и постоянное увеличение объемов применения СИП в электроэнергетических системах обуславливает высокие требования к точности расчета потерь электрической энергии у данного типа проводов. Особенностями, которые необходимо учитывать при расчетах СИП, являются зависимость сопротивления от температуры, наличие изоляции, взаимное влияние отдельных фаз друг на друга, особенно, при несимметричной нагрузке. Эффективный учет данных особенностей СИП возможен только с позиции теории поля с использованием аналитических и численных методов расчета.

Алюминиевые токопроводящие жилы СИП характеризуются температурным коэффициентом активного сопротивления , который составляет примерно 0,00403 °C-1. Изменению температуры СИП на 10 °C соответствует изменение сопротивления алюминиевых жил на 4%. В воздушных линиях с изолированными проводами в настоящее время используется изоляция из сшитого полиэтилена, которая в нормальном режиме допускает нагрев до +90 °C. Минимальная же допустимая температура для этого материала составляет -50 °C. Тогда в рабочем диапазоне температур ( = 90+50 = 140 °C) активное сопротивление согласно будет изменяться на ··100% = 56%. Это значение представляет собой диапазон неопределенности потерь активной мощности, рассчитываемых без учета температуры. Его величина показывает, что температура является существенным фактором, определяющим нагрузочные потери активной мощности в ВЛЭП.

В связи с необходимостью исследования тепловых полей приведена классификация численных методов расчета полей и указаны основные методы, широко применяемые на практике: метод конечных разностей, метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов, метод интегральных уравнений и гибридный метод. Раскрыта суть методов и, принимая во внимание функциональные возможности и универсальность, для расчета тепловых полей в изолированных проводах выбран МКЭ.

Во второй главе описываются математические модели учета температуры провода пр при расчете потерь энергии в воздушных линиях электропередачи с позиции теории поля.

При допущении равномерного распределения внутренних источников тепла по всему сечению токоведущей жилы (рисунок 1) применительно к цилиндрическим проводам бесконечной длины уравнения теплопроводности для токопроводящей жилы и изоляции самонесущих изолированных проводов в стационарном режиме в полярной системе координат имеют вид:

, , (1)

где qv и qv,из – объемная плотность тепловыделения в проводе и в изоляции соответственно; r – расстояние от оси провода до данной точки; пр и из – коэффициенты теплопроводности токоведущей жилы и изоляции соответственно.

В результате решения уравнений (1) с учетом заданных граничных условий в работе получены формулы, описывающие распределение температуры в изоляции без учета диэлектрических потерь (qv,из=0) и с их учетом. Данные формулы соответственно имеют вид:

, , (2)

где внеш - температура наружной поверхности провода; K1 = qv,из r2; r2 и r1 – соответственно радиусы провода с изоляцией и токоведущей жилы.

На основе анализа соотношений (2) в работе обосновано, что диэлектрические потери в изоляции малы и при расчете потерь в СИП их можно не учитывать. На основе проведенных исследований, на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ, в работе рассмотрены два вида соотношений для расчета потерь в СИП с учетом тепловых процессов. Первый вариант соответствует приближенному расчету и приводит к необходимости решения квадратного уравнения относительно температуры внешней поверхности изоляции внеш. Второй вариант используется в практических расчетах температуры СИП методом итераций на базе формулы:

, (3)

где k – номер итерации; к – коэффициент теплоотдачи конвекцией; и – коэффициент теплопередачи излучением; Fпов – площадь поверхности провода; окр – температура окружающей среды; p0 – потери активной мощности, рассчитанные по сопротивлению, приведенному к температуре 0°C.

В выражении (3) величину можно трактовать как тепловое сопротивление изоляции. Для реализации расчетов по формуле (3) была проведена работа по нахождению выражений для коэффициентов теплопередачи излучением и и теплоотдачи конвекцией к.

Высокая точность определения и реализуется по закону Стефана-Больцмана, согласно которому интенсивность теплопередачи излучением пропорциональна разности четвертых степеней абсолютных температур излучающего тела и окружающих поверхностей. Суммарная площадь окружающих поверхностей значительно больше площади излучающего тела (провода), а температуру окружающих поверхностей можно приближенно принять равной температуре окружающей среды (воздуха). При этих допущениях коэффициент теплопередачи излучением зависит от температуры поверхности изоляции нелинейно и рассчитывается следующим образом:

(4)

где Твнеш и Токр – абсолютная температура внешней поверхности изоляции и окружающей среды.

Исходя из критериальных уравнений конвективного теплообмена, автором получены выражения для коэффициентов теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции

, . (5)

которые отличаются от известных выражений тем, что позволяют проводить анализ температуры провода и потерь мощности в изолированных проводах с одновременным учетом атмосферного давления и температуры окружающей среды. В представленных формулах d2 = 2·r2– диаметр внешней поверхности изоляции; kv – коэффициент, характеризующий угол атаки ветра; Р – атмосферное давление; v – скорость ветра.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.