Введение к работе
Актуальность темы. В системах электроснабжения (СЭС) энергоемких промышленных предприятий нашли широкое применение мощные токопроводы, выполненные с помощью жестких шин или проводами больших сечений. Вследствие значительных рабочих токов проявляется значительное электромагнитное влияние между отдельными токоведущими частями устройства. Кроме того, часто используется совместная прокладка токопровода и технологических трубопроводов, что приводит к усложнению распределения электромагнитного поля. Указанные факторы требуют создания методов и компьютерных технологий для моделирования режимов СЭС, включающих мощные токопроводы.
При формировании магистральных цеховых сетей, а также для питания мощных сварочных машин и электропечей применяются шинопроводы большого сечения, рассчитанные на токи в несколько килоампер. Так как расстояния между токоведущими частями в этих устройствах невелики, происходит резкое проявление эффекта близости, увеличивающего активное сопротивление шин. Этот эффект наиболее заметен в электрических сетях повышенной частоты, применяемых в СЭС электротехнологических установок. Учет эффекта близости традиционными методами связан с весьма сложными расчетами, мало приемлемыми в практике проектирования и эксплуатации систем электроснабжения. Кроме того, традиционные методики моделирования основываются на рассмотрении шинопровода как локального объекта, вне его связей с питающей электроэнергетической системой (ЭЭС). Близкие проблемы возникают при моделировании ЭЭС и СЭС, включающих в свой состав газоизолированные линии (ГИЛ), одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), а также самонесущие изолированные провода.
Таким образом, имеет место настоятельная необходимость разработки методик системного моделирования гибких и жестких симметричных токопроводов, многоамперных шинопроводов, ГИЛ, СПЭ – кабелей.
Проблеме моделирования мощных токопроводов уделялось и уделяется пристальное внимание. Большой вклад в ее решение внесли Боронин В.Н., Демирчан К.С., Кияницына М.С., Кузнецов И.Ф., Куинджи В.Н., Львов А.П., Мукосеев Ю.Л., Овчаренко А.С., Попова В.Ф., Семчинов А.М., Смидович Г.П., Чальян К.М., Черниговский А.Ф., Юровская Э.Г. и др.
Работы перечисленных авторов создают методологический фундамент для проведения исследований, направленных на разработку методов и компьютерных технологий, обеспечивающих корректное моделирование ЭЭС и СЭС, включающих в состав многопроводные элементы со значительными электромагнитными влияниями между токоведущими частями.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методики моделирования режимов сложных систем электроснабжения, включающих в свой состав мощные токопроводы и шинопроводы, являющиеся элементами, имеющими значительные электромагнитные влияния между токоведущими частями.
Для реализации сформулированной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
модифицированы методы формирования и решения уравнений установившегося режима расчета режимов ЭЭС в фазных координатах;
предложен новый, системный подход к моделированию многоамперных токопроводов и шинопроводов, отличающийся тем, что предлагаемые модели могут непосредственно использоваться в задачах расчета установившихся режимов ЭЭС и СЭС;
разработана методика системного моделирования в фазных координатах многоамперных шинопроводов промышленной повышенной частоты;
разработаны технологии моделирования ЭЭС и СЭС, включающих в свой состав газоизолированные линии, одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), а также самонесущие изолированные провода.
Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на анализе математических моделей сложных электроэнергетических систем (ЭЭС) в фазных координатах с использованием аппарата линейной алгебры, теории функций многих переменных, численных методов решения нелинейных уравнений большой размерности.
В качестве основного инструмента для проведения вычислительных экспериментов использовался разработанный в ИрГУПСе программный комплекс «FAZONORD», модифицированный с участием автора для решения сформулированных в диссертационном исследовании задач.
Научная новизна заключается в том, что в диссертационной работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты.
1. Модифицированная форма записи уравнений установившегося режима ЭЭС для расчетов в фазных координатах.
2. Системный подход к моделированию многоамперных токопроводов и шинопроводов, отличающийся тем, что получаемые модели могут корректно учитывать эффект близости и непосредственно использоваться в задачах определения симметричных и несимметричных режимов ЭЭС и СЭС.
3. Новые модели шинопроводов с массивными шинами в виде наборов тонких проводов, позволяющие корректно решить задачу расчетов режимов в системах электроснабжения на частотах до 10000 Гц.
4. Методика корректного моделирования газоизолированных линий электропередачи.
5. Методика моделирования современных многопроводных кабельных систем, выполненных на основе одножильных экранированных кабелей с СПЭ изоляцией.
6. Методика определения технической эффективности самонесущих изолированных проводов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена их сопоставлением с результатами с расчетов, проведенных на основе численного интегрирования уравнений электромагнитного поля, а также с данными, полученными в экспериментальных исследованиях.
Практическая значимость полученных научных результатов состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с моделированием режимов современных ЭЭС и СЭС, включающих элементы, имеющие значительные электромагнитные влияния между токоведущими частями, с учетом реального токораспределения и эффекта близости. На основе полученных в диссертации результатов возможно научно обоснованное решение следующих актуальных практических задач:
расчет режимов ЭЭС и СЭС, включающих токопроводы и многоамперные шинопроводы, позволяющий корректно учитывать токораспределение, поверхностный эффект и эффект близости;
определение режимов в системах электроснабжения с мощными токопроводами на частотах до 10000 Гц;
компьютерное моделирование современных ЭЭС и СЭС, включающих в свой состав газоизолированные линии электропередачи, самонесущие изолированные провода, многопроводные кабельные системы, выполненные на основе одножильных экранированных кабелей с СПЭ изоляцией.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы в виде компьютерных моделей СЭС, практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации систем электроснабжения переданы в филиал ОАО «ИЭСК» «Южные электрические сети», а также в ООО «Централизованная энергоремонтная фирма», ООО «Энергостройконсалт», ООО «Энергия М». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.
Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: международная конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2007; I межвузовская научная интернет-конференция "Перспективы развития транспорта в XXI веке", Иркутск, 2008; всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», Самара, 2008; всероссийская научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, 2008; межвузовская научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», Иркутск, 2009; научно-практическая конференция «Проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Красноярск, 2009; XV Байкальская всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», Иркутск-Байкал, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе шесть статей в рецензируемых журналах по списку ВАК и одна монография. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 50 % результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены непосредственно самим автором.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, библиографического списка из 71 наименований и приложения. Общий объем диссертации 119 страниц, в тексте содержится 63 рисунка и 11 таблиц. В приложении приведены акты о внедрении.
При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями доктора техн. наук, доцента Закарюкина В.П.
