Анализ направлений развития систем электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 658.26

АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Афанасьев Д. И., Дьячков А.В., Санников И.В.

Афанасьев Денис Игоревич - студент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «КнАГТУ», адрес: Россия, 681010, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Аллея Труда, д.59, кв.241; 8 (924) 3186109. E-mail: deffjoint.kms@mail.ru.

Дьячков Александр Викторович - студент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «КнАГТУ», адрес: Россия, 681000, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Котовского, д.3, кв.215; 8 (914) 1997198. E-mail: dyachkov-94@bk.ru.

Санников Иван Владимирович - студент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВО «КнАГТУ», адрес: Россия, 681000, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Котовского, д.3, кв.215; 8 (924) 2150622. E-mail: qwertyytrewq28@gmail.com.

Аннотация

Повышение эффективности систем электроснабжения непосредственно связано с анализом направлений развития и совершенствования на этой основе их основных элементов. В статье приведены результаты анализа основных направлений исследований источников, потребителей и связывающих их элементов энергосистем. Целью анализа является определение перспективных типов элементов, выделение значимых проектно-конструкторских и эксплуатационных факторов, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии. Проведено исследование возможностей теоретической базы, обеспечивающей создание и исследование структурированных моделей систем электроснабжения. Приведены примеры формирования структуры системы электроснабжения в виде распределенной генерирующей сети. Обоснованы требования и определены пути улучшения системных параметров как со стороны энергоснабжающих организаций, так и со стороны потребителей с учетом реальных параметров основных нагрузок. Показана возможность использования современных информационно-коммуникационных технологий и средств для мониторинга характерных параметров и режимов работы систем электроснабжения при эксплуатации.

Ключевые слова: комплексная эффективность, микрогэс, асинхронный двигатель, мониторинг.

электроэнергия конструкторский потребитель источник

D.I. Afanasev, A.V. Dyachkov, I.V Sannikov

ANALYSIS OF THE DEVELOPMENT TRENDS OF POWER SUPPLY SYSTEMS

Mr. Denis I. Afanasev - student, Department of Electromechanics, Komsomolsk-on-Amur State Technical University, address: house 59, flat 241, Allea Truda St. Komsomolsk-on-Amur, Russia; 8 (924) 3186109. E-mail: deffjoint.kms@mail.ru.

Mr. Ivan V. Sannikov - student, Department of Electromechanics, Komsomolsk-on-Amur State Technical University, address: house 3, flat 215, Kotovsky St. Komsomolsk-on-Amur, Russia; 8 (924) 2150622. E-mail: qwertyytrewq28@gmail.com.

Mr. Alexander V. Dyachkov - student, Department of Electromechanics, Komsomolsk-on-Amur State Technical University, address: house 3, flat 215, Kotovsky St. Komsomolsk-on-Amur, Russia; 8 (914) 1997198. E-mail: dyachkov-94@bk.ru.

Summary

Improving the efficiency of power supply systems is directly related to the analysis of trends of development and improvement on the basis of their main elements. The article presents the results of the analysis the main directions of research sources, consumers and connecting their elements of power systems. The purpose of the analysis is the identification of promising types of items, the selection of important design and operational factors that ensure the specified quality of electricity. A study of the possibilities of a theoretical framework, ensuring the creation and study of structured models of power supply systems The examples of forming the structure of the electricity system in the form of a distribution by generating a network. Justified requirements and define ways of improving the system parameters from both the supplying organizations and consumers taking into account the actual parameters of the main loads. The possibility of using modern information and communication technologies and tools for monitoring characteristic parameters and operation modes of power supply systems in operation.

Key words: integrated efficiency, microhydro, asynchronous motor, monitoring.

Эффективность систем электроснабжения (СЭ) в большинстве случаев может быть рассчитана на основе частных показателей качества процессов генерации, транспортирования и потребления электроэнергии. Одной из основных причин снижения эффективности являются старение и износ элементов систем электроснабжения, а также деградация межструктурных связей.

Рассмотрение факторов, влияющих на эффективность СЭ, показывает, что их можно разделить на три группы: проектные, технологические и эксплуатационные. При отсутствии явных дефектов проектирования, изготовления, применения, а также соответствующем качестве используемых материалов и комплектующих, эффективность систем электроснабжения может рассматриваться и это подтверждает анализ статистических данных, в зависимости от комплексного воздействия многочисленных мультифизичных факторов. Широкая область применения и номенклатура конструктивных исполнений, а также целый ряд специфических особенностей элементов систем электроснабжения указывает на необходимость решения задачи оценки и повышения эффективности применительно к конкретному типу оборудования.

Существует общепринятая система классификации технических систем, на основе которой системы электроснабжения принято рассматривать как сложно-структурированные открытые нелинейные системы с избыточным резервированием. На это указывают такие признаки как многоаспектность, высокий уровень автоматизации, несводимость свойств системы к свойствам элементов, отсутствие однозначной связи между управляющими, возмущающими и управляемыми параметрами и т.д.

Вопросам обеспечения и повышения эффективности СЭ посвящено достаточно большое количество публикаций, но в большинстве из них рассмотрены, хотя и важные, но частные задачи. Определение наиболее существенных путей комплексного развития и повышения эффективности СЭ может быть реализовано двумя путями: установлением аналитических зависимостей, например, процессный подход в виде описания системой дифференциальных уравнений, и моделированием СЭ с использованием современных программно-аппаратных ресурсов. Однако в любом случае необходимо иметь информацию о структуре системы, количественных показателях ее элементов, связях между ними, воздействующих факторах.

Постановка задачи исследования. Общая схема системы электроснабжения показана на рис.1. Основными структурными элементами ее являются источники электрической энергии (объединенная и распределенная генерация) G, оборудование для ее передачи и транспортирования Tn, комплексная нагрузка Zn.

Рисунок 1 - Общая схема системы электроснабжения

Очевидно, что для синтеза оптимального варианта СЭ необходим анализ и на его основе обоснование выбора каждого из ее элементов.

Базовым элементом любой системы электроснабжения являются источники электрической энергии, которые включают все виды генерирующих установок, начиная от системообразующих заканчивая автономными. При этом именно последние зачастую представляют интерес для разработчиков энергетических объектов, поскольку позволяют на базе, например, ветро- и микрогидрогенераторов (микрогэс), обеспечивать качественным электроснабжением удаленных от основных энергоресурсов потребителей. Использование автономных источников в распределенных СЭ также позволяет существенно уменьшить зависимость потребителей от централизованного электроснабжения, снижает нагрузку на окружающую среду в процессе строительства и на этапе эксплуатации. Возможность использования альтернативных источников электроэнергии в первую очередь требует учета географических особенностей региона применения. Например, применение микрогэс предполагает наличие рек, разности высоты на озерных сбросах воды, систем водоочисток, водоподготовки и различных трубопроводов. При наличии требуемой инфраструктуры задача повышения эффективности генерации сводится к выбору типа и конструкции источника, схемы управления и режимов работы СЭ.

Следующим элементом СЭ является комплекс оборудования для преобразования и передачи электроэнергии, в него же входят технические средства измерения, контроля, обработки, хранения информации, реализуемые в виде автоматизированных системы контроля учета электроэнергии (энергоресурсов) - АСКУЭ. В качестве основного объекта исследования здесь следует выделить трансформаторные подстанции и трансформаторы свыше 35 кВ, являющиеся неотъемлемой частью любой СЭ.

Конечным звеном СЭ является комплексная нагрузка, оказывающая существенное влияние на показатели энергосбережения и качества. Применительно к промышленным предприятиям производимая электроэнергия расходуется, в основном, асинхронным электроприводом (по некоторым данным до 55 %). Поэтому повышение энергоэффективности асинхронной нагрузки теоретически может дать значительный экономический эффект.

Таким образом, задачей анализа направлений развития СЭ является предварительное рассмотрение ее частных показателей эффективности отдельных элементов, определение наиболее перспективных из них и разработка на этой основе рекомендаций применительно к системе электроснабжения в целом.

Теоретические основы исследования. При проведении анализа элементов СЭ целесообразно выделить для каждого из них наиболее значимые проектные, конструкционные и эксплуатационные факторы. Информационной основой для этого может служить патентный поиск, позволяющий выделить основные с экспертной точки зрения входные, выходные и возмущающие параметры состояния [1-9].

Рассматривая в качестве источника электроснабжения микрогэс, можно показать, что для таких показателей эффективности, как коэффициент полезного действия, технологичность, упрощение конструкции, компактность, в качестве основных варьируемых параметров на первом этапе могут быть рассмотрены размерные соотношения гидротурбины. Это подтверждает анализ направлений исследования микрогэс, приведенных на рис. 2: 1- упрощение конструкции, компактность; 2 - повышение надежности; 3 - повышение КПД; 4 - универсальность; 5 -технологичность; 6 - снижение стоимости; 7 - обеспечение инвариантности; 8 - мобильность; 9 - возможность использования при минимальной глубине водоёма; 10 - снижение воздействия на окружающую среду.

Теоретической основой для оценки влияния выбранных параметров на выходные характеристики микрогэс является расчетная методика, предложенная в [10]. Она позволяет связать энергию рабочего потока воды с эффективностью гидротурбин реактивного типа.

Мощность , развиваемая гидротурбиной, определяется из выражения:

где - плотность воды; Q - расход воды; H - рабочий напор; - угловая частота вращения; - полный КПД турбины.

Мощность и частота вращения гидротурбины определяет расчетную мощность генератора, его массу, габариты и стоимость. В общем случае эти параметры связаны соотношением:

где - внутренний диаметр статора генератора; - расчетная длина воздушного зазора; P - полная расчетная мощность генератора; - линейная нагрузка; - магнитная индукция в воздушном зазоре; - коэффициент пропорциональности.

Рисунок 2 - Направления развития микрогэс

Уравнение движения системы «гидротурбина - генератор» имеет вид:

где - механический момент, развиваемый гидротурбиной; - момент сопротивления генератора; J - момент инерции вращающихся частей; - угловая частота вращения гидроагрегата;

Статическая устойчивость системы и погрешность стабилизации частоты ее вращения определяются суммарным коэффициентом саморегулирования микрогэс:

e? = eг - eT,

где eг, eT - соответственно коэффициенты саморегулирования генератора и гидротурбины, зависящие от номинальных (расчетных) значений моментов генератора и гидротурбины в точке номинального режима.

Формально процесс преобразования и передачи электроэнергии не является определяющим для комплексной эффективности СЭ, но от качества работы его элементов зависит работоспособность системы электроснабжения в целом. Поэтому вопросы надежности и безотказности этих элементов являются первоочередными. Это в свою очередь предполагает не только использование современного силового оборудования, но и информационно-коммуникационных средств, реализованных в виде АСКУЭ. Научную базу здесь представляют традиционные и перспективные методы исследования физических процессов, природа их возникновения [11-13].

Основным объектом исследования является трансформаторные подстанции и входящие в их состав трансформаторы напряжением свыше 35 кВ. Предмет исследования - управление процессами, определяющими надежность и долговечность изоляционных элементов.

Рассматривая воздействие на конструкцию изоляции силовых трансформаторов эксплуатационных факторов, можно выделить четыре основных вида нагрузок:

- электрические нагрузки, появляющиеся в результате коммутационных или атмосферных перенапряжений;

- тепловые нагрузки, непосредственно влияющие на процесс износа изоляции и связанные с термическими перенапряжениями;

- механические нагрузки, способные вызвать нарушение однородности изоляционного материала при превышении предельных значений;

- физико-химические воздействия, являющиеся результатом взаимодействия изоляции с охлаждающей средой и элементами конструкции трансформатора.

Для мониторинговых исследований наиболее целесообразно применение метода измерения частичных разрядов, приведенном в ГОСТ 20074-83 «Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов» [14].

Теоретические основы возможности измерения и сравнения значений параметров частичных разрядов с их предельными значениями для диагностики высоковольтного оборудования обоснованы В.П. Вдовико [15].

Общие механизмы протекания физических и химических процессов в газе при частичном разряде и процессы старения изоляции под действием частичных разрядов рассмотрены в работе [16]. В ней показано, что в местах действия частичного разряда происходит разрушение диэлектрического материала, связанное с воздействием быстрых электронов лавины с энергией более 10 эВ.

В работе [17] рассмотрена математическая модель протекания частичного разряда в газовом включении, определяющая зависимость между интенсивностью частичных разрядов и размерами газовых включений в диэлектрике и позволяющая спрогнозировать пробой диэлектрика по спаду интенсивности частичных разрядов. Наличие границы раздела диэлектрических слоев приводит к структурной поляризации, характерной для макроскопических уровней диэлектрической структуры. Время релаксации таких процессов, развивающихся на инфранизких частотах, измеряется десятками и сотнями секунд. Для анализа таких процессов и установления вида функции диэлектрического отклика исследуемой изоляционной системы необходимы исследования поляризационных или деполяризационных токов во времени и применение методов компьютерного моделирования развития частичных разрядов с учетом изменений химического состава диэлектрика. Частичный разряд - электрический разряд, локализованный внутри изоляционной среды, расположенной между двумя электродами.

Теоретической основой исследования является представление частичных разрядов в виде электрических разрядов, находящихся внутри изоляционной системы, расположенной между электродами и представляющей сферу, заполненную газообразным диэлектриком. Процесс поляризации внешним электрическим полем приводит к появлению нескомпенсированных зарядов на границах сферы. Пробой газового диэлектрика и возникновение процесса ударной ионизации и электронной лавины зависит от напряженности электрического поля. Предельное значение напряженности, при котором возникает частичный разряд можно найти из выражения (закон Пашена):

где H -- давление; d -- диаметр сферы [15].

На основе рассмотренного теоретического подхода может быть разработана система дистанционного мониторинга и диагностирования систем электроснабжения, обеспечивающая предотвращение аварийных ситуаций в системах электроснабжения [18].

Возможность оценки эффективности комплексной нагрузки является наиболее обеспеченной в научно-методическом плане. Существует целый ряд нормативных документов, регламентирующих показатели качества основных энергопотребителей промышленных предприятий, например для асинхронных двигателей (АД) основным является ГОСТ Р 51677-2000 [19]. Для проектных и оптимизационных расчетов могут быть использованы расчетные методики, приведенные в фундаментальных пособиях И.П. Копылова, О.Д. Гольдберга, А.В. Иванова-Смоленского и др. Нормативные документы в первую очередь к показателям энергоэффективности относят коэффициент полезного действия и коэффициент мощности. В соответствии с [19] АД подразделяются на две группы: двигатели с нормальным КПД и энергосберегающие двигатели с повышенным КПД, у которых потери мощности при одинаковой мощности и частоте вращения не менее чем на 20 % меньше, относительно первой группы. Коэффициент мощности тех и других АД ограничивается снизу одинаковыми значениями. Минимальный допустимый КПД энергосберегающего двигателя рекомендуется определять по формуле

где - КПД нормальных двигателей, %; e = 0.2 -снижение суммарных потерь, о.е.

Однако принятая в этом стандарте оценка энергоэффективности только по КПД является односторонней, недооценивает влияние коэффициента мощности на показатели эффективности системы электроснабжения. Известно, что генерация и передача реактивной мощности приводит к потерям активной мощности. Потенциальные источники реактивной мощности (трансформаторы, коммутационные и защитные аппараты, линии электропередач) при проектировании системы электроснабжения выбираются по полной расчетной мощности, обратно пропорциональной, произведению КПД и коэффициента мощности отдельных электроприемников, влияющих на стоимость передачи и распределения электроэнергии. В то же время оценка энергоэффективности по этим параметрам, неоднозначно учитывает расход первичной энергии (топлива) на генерацию реактивной энергии, который в большей степени определяется потерями активной мощности, связанными с генерацией и передачей реактивной. Более точно показатели энергоэффективности оцениваются «стоимостным» коэффициентом полезного использования энергии

где - - относительная стоимость реактивной энергии; - цена активной электроэнергии; - цена реактивной электроэнергии; - коэффициент реактивной мощности.

Практический расчет «стоимостного» коэффициента затруднен неопределенностью цены реактивной электроэнергии. Энергоснабжающие организации обычно устанавливают специальные режимы потребления реактивной мощности.

Более простой является оценка эффективности по приведенному КПД, учитывающему потери активной электроэнергии, как в нагрузке, так и дополнительные потери в электрических сетях, вызванные потреблением реактивной мощности этой нагрузкой:

где - коэффициент увеличения потерь активной мощности, учитывающий потери на генерацию и передачу реактивной мощности.

С учетом фактической загрузки точнее оценивать эффективность АД по формуле:

где ; и - КПД и коэффициент мощности при среднем значении коэффициента загрузки; ; -коэффициент мощности, при котором потребитель материально нейтрален.

Выводы

Выполненный анализ основных направлений развития и совершенствования систем электроснабжения показывает, что повышение эффективности генерации, передачи и использования электроэнергии связано с частными показателями элементов системы. Основой исследования качества основных процессов, характеризующих эффективность систем электроснабжения, является наличие теоретической базы, обеспечивающей возможность выбора, обоснования и использования распределенных источников электроэнергии, средств мониторинга и диагностирования информационных потоков в объектах энергетики, оптимизация потребления электроэнергии на стороне потребителя.

Литература

1. Пат. №1462019 А1 СССР, МПК7F 03 B 13/00. Гидроэнергетический агрегат/ Б. А. Ботбаев, В. А. Витовский, В. Р. Шеленберг.; заявитель и патентообладатель Киргизский научно-исследовательский отдел энергетики. - № 4192895/25-06; заявл. 09.02.87; опубл. 28.02.89. Бюл. № 8.

2. Пат. № 1664962А1 СССР, МПК7E 02B9/06. Напорный водовод малой ГЭС / Н. А. Ходанков, В.В. Афанасьев, А. Ж. Боданов, К.П. Аширалиев.; заявитель и патентообладатель Джамбулский гидромелиоративно-строительный институт. - № 4655646/15; заявл. 27.02.89; опубл. 23.07.91. Бюл. № 27.

3. Пат. № 1803598 А1 СССР, МПК7F 03 B 17/06. Бесплотинная ГЭС/ С. Р. Расулов, А. Ф. Ширинский.; заявитель и патентообладатель Таджикский научно-исследовательский отдел энергетики. - № 4767690/29; заявл. 11.12.89; опубл. 23.03. 93. Бюл. № 11.

4. Пат. № 2380478С1 Российская Федерация, МПК7Е02B7/02. Мобильная плотина парашютного типа/ В. М. Палецких, А. А. Усман.; заявитель и патентообладатель В. М. Палецких, А. А. Усман.; - № 2008124532/03; заявл. 16.06.08; опубл. 27.01.10. Бюл. № 3.

5. Пат. № 9157411 В2 США, Электрическая энергогенерирующая система/ Д. Л. Криппс.;заявитель и патентообладатель Д. Л. Криппс, №14/311566.; заявл. 23.06.14; опублик. 13.10.15.

6. Пат. № 1642055 А1 СССР, МПК7 F 03 B 13/00. Приливная ГЭС / В. Г. Соколов, И. В. Соколова.; - № 4679884/29; заявл. 18.04.89; опубл. 15.04.91. Бюл. № 14.

7. Пат. № 2418131 С1 Российская Федерация, МПК7 Е 02 B 7/02, Е 02 B 9/00. Мобильное гидроэнергетическое сооружение наполняемого типа/ Д. В. Кашкарин, П. А. Годин.; М. А. Годин.; заявитель и патентообладатель Д. В. Кашкарин.; - № 2009140849/21; заявл. 03.11.09; опубл. 10.05.11. Бюл. № 13.

8. Пат. № 29051 А4 Республика Казахстан, МПК7 F 03 B 13/00, F 03 С 4/00. Мобильная ГЭС / Б. С. Ахметов, Л. Ш. Балгабаева.; О. В. Киселева, П. Т. Харитонов.; заявитель и патентообладатель Республиканское гос. пред. на праве хоз. ведения "Казахский национальный тех. унив. им. К. И. Сатпаева" Мин. обр. и науки Республики Казахстан.; - № 2013/1459.1; заявл. 30.10.13; опубл. 15.10.14. Бюл. № 10.

9. Пат. № 29180 А4 Республика Казахстан, МПК7 H 02 K 29/00. Мобильная Микро-ГЭС / Б. С. Ахметов, П. Т. Харитонов.; заявитель и патентообладатель Б. С. Ахметов, П. Т. Харитонов.; - № 2013/0323.1; заявл. 15.03.13; опубл. 17.11.14. Бюл. № 11.

10. Лукутин, Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие / Б.В. Лукутин. - Томск: ФГАОУ ВО «НИ ТПУ», 2008. - 187 с.

11. Зенова, Е.В. Разработка и исследование методов диагностики изоляционной системы маслонаполненных трансформаторов на основе изучения спектров токов поляризации : автореф. дис. …д. тех. наук : 05.09.02/ Зенова Елена Валентиновна. - МЭИ., 2013. - 40 с.

12. Чернышев, В.А. Опредeление состояния и остаточного ресурса силового электроэнергетического оборудования / В.А. Чернышев, Е.В. Зенова, В.Р. Григорян // Электричество. - 2011. - №1 - С. 32-35.

13. Чичев, С.И. Диагностика силовых трансформаторов 110 кВ и выше в региональных сетевых компаниях / С.И. Чичев, Е.И. Глинкин // Электроэнергетика. - 2010. - №3 - С. 6-12.

14. ГОСТ 20074-83. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов. Введ. 1984-07-01. - М. : Госстандарт СССР : Изд - во стандартов, 1984 - 22 с.

15. Вдовико, В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. - Новосибирск: Наука - 2007. - С.155.

16. R. J. van Brunt // IEEE Trans. Dielec. and Elec. Insul. - 1994. - Vol. 1, N 5. - P761-784 . - ISSN 1070-9878 (16)

17. Исмагилов, Ф.Р. Математическое моделирование развития частичных разрядов в процессе старения диэлектрика/ Ф.Р Исмагилов, Д.В. Максудов. - Вестник УГАТУ. - №3 - С.98-100. (17)

18. Иванов, С.Н. Эффективность надежности электроэнергетических систем / С.Н. Иванов, А.А. Скрипилев // Ученые записки КнАГТУ - 2016. - № III-1(27). - С.20-26.

19. ГОСТ Р 51677-2000. Машины электрические асинхронные мощностью от 1 до 400 кВт включительно. Двигатели. Показатели энергоэффективности. - Введ. 2001-07-01. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2001. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru