Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристики нелинейных электроприемников и потребителей электроэнергии 9
1.1. Современные нелинейные электроприемники 9
1.1.1. Компактные люминесцентные лампы . 9
1.1.2. Электроприемники на базе силовой электроники 11
1.2. Характеристики нелинейных потребителей 12
Выводы по главе 19
2. Метод расчета снижения пропускной способности кабелей распределительных сетей при питании нелинейной нагрузки 21
2.1. Выбор и описание конструкций кабелей для исследования тепловых процессов, создаваемых токами высших гармоник 21
2.2. Тепловые процессы в кабеле с нелинейной нагрузкой 24
2.3. Расчет поправочных коэффициентов для длительно допустимых токов кабеля, при питании нелинейной нагрузки 35
2.3.1. Аналитический метод 39
2.3.2. Метод перебора 53
2.4. Анализ и сопоставление полученных результатов 53
Выводы по главе 59
3. Метод расчета снижения пропускной способности трансформаторов 6-20/0,4 кв при питании нелинейной нагрузки 61
3.1. Потери активной мощности в трансформаторе и влияние высших гармоник тока на их значение 61
3.2. Расчет коэффициентов снижения пропускной способности силовых масляных трансформаторов при питании нелинейных потребителей 68
3.3. Нагрев трансформатора токами высших гармоник 72
Выводы по главе 81
4. Оценка экономического ущерба от влияния токов высших гармоник на оборудование распределительной сети 83
4.1. Классификация ущербов и определение их размеров 83
4.2. Ущерб, обусловленный дополнительными потерями активной мощности в оборудовании сети 84
4.3. Ущерб, обусловленный недоиспользованием оборудования электрической сети 87
4.4. Ущерб из-за уменьшения срока службы электрооборудования 89
4.4.1 Определение снижения срока службы из-за токов высших гармоник 92
4.4.2 Влияние несинусоидального напряжения на срок службы изоляции 100
4.5 Ущерб, обусловленный недопустимым перегревов изоляции оборудования и перерывом электроснабжения 101
4.6 Индикатор возникновения ущерба от высших гармоник тока 103
4.7 Пример расчета экономического ущерба от токов высших гармоник 104
Выводы по главе 108
Заключение 110
Библиографический список 112
- Компактные люминесцентные лампы
- Расчет поправочных коэффициентов для длительно допустимых токов кабеля, при питании нелинейной нагрузки
- Расчет коэффициентов снижения пропускной способности силовых масляных трансформаторов при питании нелинейных потребителей
- Ущерб из-за уменьшения срока службы электрооборудования
Введение к работе
Актуальность темы. За последние годы возросла нагрузка жилых и административных зданий. С ростом нагрузки изменился и ее характер. Возросла доля таких электроприемников как компьютеры, телевизоры, СВЧ – печи, все активнее заменяются обычные лампы накаливания энергосберегающими, и внедряется частотно регулируемый электропривод. Совершенствование электроприемников направленно на повышение коэффициента полезного действия, оптимизацию режима работы и снижение энергопотребления. Большинство перечисленных электроприемников потребляют ток несинусоидальной формы. Несмотря на относительно небольшую мощность каждого отдельного электроприемника, их массовое применение приводит к существенному искажению синусоидальности кривых напряжения и тока в распределительных электрических сетях.
Несинусоидальность напряжений и токов оказывает влияние на работу электрооборудования, сокращая срок его службы, приводит к увеличению потерь напряжения и мощности в сети, уменьшению ее пропускной способности. Это создает условия для возникновения дополнительного риска отказа оборудования и роста электротехнического и технологического ущерба.
На сегодняшний день нормативно-правовая документация в области качества электрической энергии регламентирует уровни искажений только по напряжению, но не по току. Отсутствуют также методики оценки воздействия несинусоидальности тока на работу электротехнического оборудования.
В связи с этим, представляется необходимым разработать методы оценки влияния высших гармоник тока, создаваемых работой нелинейных электроприемников жилых и общественных зданий на оборудование распределительной электрической сети.
Цель и задачи работы
Основной целью работы является разработка методов оценки влияния нелинейных непромышленных электроприемников потребителей на режимы работы оборудования распределительных сетей.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Определен спектр высших гармоник тока по результатам измерений в
распределительной сети для следующих характерных типов непромышленных
потребителей: торговый центр, административное здание и жилое здание.
2. Разработаны математические модели тепловых процессов,
позволяющие учитывать влияние высших гармоник тока на пропускную
способность кабельных линий и силовых масляных трансформаторов
распределительной сети.
-
Разработаны способы оценки влияния высших гармоник тока на режимы работы оборудования распределительной сети.
-
Определены поправочные коэффициенты, учитывающие влияние высших гармоник тока на снижение пропускной способности кабельных линий и силовых трансформаторов различными методами, в том числе на основе
математического моделирования тепловых процессов в оборудовании, на примерах измеренных спектров гармоник тока присоединений.
5. Проведена оценка экономического ущерба электросетевой компании, вызванного работой современных электроприемников потребителей.
Объект исследования – кабельные линии и силовые масляные трансформаторы распределительной электрической сети напряжением 0,3820кВ.
Предмет исследования – разработка методов оценки влияния высших гармоник тока, создаваемых работой нелинейных электроприемников потребителей на режимы работы оборудования распределительных сетей.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: методы математического описания оборудования распределительных сетей, метод математического моделирования тепловых процессов, метод конечных элементов для решения дифференциальных уравнений второго порядка.
Достоверность полученных результатов в диссертационной работе подтверждается применением научно-обоснованных методов, корректным использованием математического аппарата, проверочными тестами математических моделей, сопоставлением результатов, полученных с помощью различных методов, и расчетами на конкретных примерах и измерений.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие научные результаты:
-
Определены численные значения n-х гармонических составляющих спектра токов присоединений нелинейных непромышленных электроприемников и потребителей селитебных территорий.
-
Разработаны математические модели тепловых процессов в силовых кабелях и трансформаторах, позволяющие на основании известной мощности тепловыделений в каждом из элементов оборудования рассчитывать температурные поля методом конечных элементов и, таким образом, оценивать эффект от действия высших гармоник тока.
-
Разработаны методы оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность кабелей и трансформаторов в распределительной электрической сети, позволяющие определить поправочный коэффициент снижения длительно допустимого тока и температуру изоляции при протекании через оборудование несинусоидального тока.
-
Получены численные значения поправочных коэффициентов к длительно допустимым токам для измеренных спектров гармоник тока присоединений, позволяющие учитывать влияние несинусоидальности потребляемого тока при выборе сечения жил кабеля и мощности силовых трансформаторов на этапе проектирования и контроле длительно допустимых токов оборудования на этапе эксплуатации.
-
Разработаны способы оценки экономического ущерба от действия токов высших гармоник на оборудование электрической сети, позволяющие
численно оценить размер возможного ущерба при известном спектре гармоник тока и графике нагрузки.
Практическая значимость полученных результатов.
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы, математические модели позволяют рассчитать поправочные коэффициенты к длительно допустимым токам для учета влияния высших гармоник в спектре тока на оборудование сети при любом типе нелинейной нагрузки. Полученные в работе значения поправочных коэффициентов могут быть использованы в качестве рекомендаций при проектировании новых и эксплуатации существующих распределительных сетей, питающих селитебные территории. Метод по определению экономического ущерба от высших гармоник тока позволит дать оценку целесообразности применения мероприятий по компенсации высших гармоник тока в распределительных электрических сетях.
Реализация и внедрение результатов работы:
разработано методическое указание по оценке влияния высших гармоник тока на оборудование распределительной сети;
разработаны алгоритмы определения поправочных коэффициентов к длительно допустимому току оборудования, учитывающих влияние высших гармоник тока, создаваемых нелинейными электроприемниками и потребителями.
Апробация работы.
Основные положения диссертации и отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих общероссийских и международных мероприятиях:
-
Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, Электротехника и Энергетика», МЭИ, 2010г.
-
Пятая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и практика». (Москва, 18-22 октября 2010г.)
-
Федоровские чтения - 2010. XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-18 ноября 2010г.)
-
Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, Электротехника и Энергетика», МЭИ, 2012г
-
Шестая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и практика». Москва, 2012г.
-
Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем - ЭНЕРГО-2012» (Москва, 4-6 июня 2012 г.)
-
XIX заседание ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО» (г. Ханты-Мансийск, 6-8 февраля 2013 г.)
Основные положения, выносимые на защиту
1. Математические модели тепловых процессов в силовых кабелях и трансформаторах, составленные в программном комплексе Elcut и позволяющие рассчитывать температурные поля методом конечных элементов.
-
Методы оценки влияния высших гармоник тока на пропускную способность силовых кабелей и трансформаторов в распределительной сети.
-
Тепловые схемы замещения кабельных линий, позволяющие рассчитывать температуру изоляции жилы при протекании несинусоидального тока.
-
Результаты расчетов поправочных коэффициентов к длительно допустимым токам для измеренных спектров гармоник тока присоединений, учитывающие влияние высших гармоник тока на режимы работы оборудования при проектировании и эксплуатации электрической сети.
-
Способы оценки экономического ущерба от действия токов высших гармоник на оборудование распределительной сети.
Публикации. Основные результаты и положения, полученные в диссертации, изложены в 15 (пятнадцати) публикациях, 6 (шесть) из которых опубликованы в журнале из списка ВАК.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений и списка литературы из 69 наименований. Основной текст изложен на 163 страницах, включая 26 рисунков и 36 таблиц.
Компактные люминесцентные лампы
Каждый электроприемник с нелинейной вольт-амперной характеристикой и потребляемым током до 16 А должен удовлетворять требованиям стандарта [43], однако, как было показано в предыдущем разделе при выполнении указанных в стандарте требований уровень искажения потребляемого тока может достигать больших значений. При совместной работе нелинейных электроприемников при векторном суммированием высших гармоник тока в питающей сети уровень искажения может изменяться. В связи с этим целесообразно провести инструментальные измерения и последующий анализ для определения характерного спектра высших гармоник тока нелинейных потребителей. В работе проведено исследовании для торгового центра, административного здания и жилого дома.
Торговый центр
В феврале 2011 года были проведены измерения на трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ, питающей крупный торговый центр, специализирующийся на продаже компьютерной техники. Измерения проводились на 3 отходящих от ТП фидерах 380 В, в фазных и нулевой жилах кабеля питаю щих павильоны с компьютерной техникой. Длительность непрерывных измерений составляла 7 суток.
Торговый центр работает ежедневно с 10:00 до 20:00. Нагрузка в разные дни недели остается постоянной и характеризуется небольшим потреблением электроэнергии в ночное время и значительным её увеличением и фиксацией на одном уровне в часы работы торгового центра (рисунок 1.2.1).
Недельный график нагрузки фидера №2 ТП 10/0,4 кВ В часы работы торгового центра, когда включена в сеть нелинейная нагрузка (аудио- и видеосистемы, компьютеры и т.п.), потребляемый ток имеет несинусоидальную форму (рисунок 1.2.2 а). В спектре этого тока помимо основной частоты присутствуют токи высших гармоник. Среднеквад-ратическое значение тока третьей гармоники в максимум нагрузки, осред-ненное на получасовом интервале, составляет 25,5% от значения тока основной частоты, пятой – 12,2%, седьмой - 8,5%, девятой – 4,2% (рисунок 1.2.2 б). Значения гармоник более высокого порядка не превосходят 1,5%.
В таблице 1.2.1 представлены средние получасовые значения токов высших гармоник осредненные по фазам в максимум нагрузки по рассматриваемым фидерам. В настоящее время отсутствуют опубликованные результаты исследований по сбору и обработке статистической информации о спектрах высших гармоник тока в сетях, питающих нелинейные электроприемники, поэтому определение расчетных значений уровней возможных помех является невозможным, в связи с отсутствием сведений о математическом ожидании и дисперсии по каждой из гармоник тока. Проведенные измерения не являются полномасштабными для формирования общей статистики по данному типу потребителей, так как производились сравнительно непродолжительно и на нескольких фидерах одного объекта. Однако, полученные данные позволят дать количественную оценку возможного масштаба влияния на оборудование и приведены в работе исключительно в качестве примера.
Так как состав электроприемников, режимы их работы и периоды получасовых интервалов осреднения средств измерения не совпадают, графики изменения высших гармоник тока при наибольшей нагрузке не имеют ярко выраженных максимумов и минимумов, то для последующего анализа и оценке максимального воздействия токов высших гармоник на работу оборудования в расчетах за исходный спектр гармоник принимаются максималь ные значения токов по каждой из гармоник из измеренных по каждому фидеру.
Статистический анализ результатов проведенных измерений показывает, что распределение получасовых значений спектра высших гармоник в режиме наибольших нагрузок имеет такой вид, что значение математического ожидания смещено к границе максимальных значений (рис. 1.2.3). Максимумы значений по отдельным гармоникам тока в режиме наибольших нагрузок имеют между собой коэффициент корреляции, достаточный для того, чтобы утверждать о совпадение максимумов значений каждой из гармоник (так для гармоник 3 и 5 порядков коэффициент корреляции равен 0,72). Таким образом, использование осредненных получасовых максимальных значений спектров высших гармоник тока позволят определить максимальное воздействие на работу оборудования, при этом можно утверждать, что используемые значения являются возможными в распределительных сетях.
При питании компьютерной техники в нулевой жиле протекают токи, действующие значения которых соизмеримы со значениями токов в фазе (164 А в фазной и 120А в нулевой жиле). Как видно из осциллограммы (ри
Осциллограмма (а) и спектр гармоник (б) тока в нулевой жиле сунок 1.2.3а) и спектра гармоник тока (рисунок 1.2.3б) в нулевой жиле, основную долю протекающего тока составляют токи гармоник кратных трем, обусловленные работой электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Из-за отсутствия фазового сдвига токи гармоник кратных трем замыкаются через нулевой проводник, увеличивая ток в нем. Кроме того, в спектре тока, кроме основной частоты, присутствуют пятая и седьмая гармоники, обусловленные несимметричной загрузкой фаз.
Изменение значений гармонических составляющих тока в нулевой жиле за неделю В течение недели значение тока в нулевой жиле во время работы торгового центра остается неизменным. В 10 часов утра и 8 часов вечера, когда начинает и заканчивает работу торговый центр соответственно, наблюдается рост значений гармоник тока пятого и седьмого порядка (рисунок 1.2.4). Такое увеличение связано с не одновременностью начала и окончания работы торговых павильонов, а, следовательно, и с несимметричной загрузкой по фазам в часы открытия и закрытия торгового центра.
Административное здание
Нелинейным потребителем, содержащим в большом количестве компьютерную нагрузку, является административное здание. Все коммерческие и некоммерческие организации, ведущие непроизводственную, чаще всего административно-управленческую деятельность (банки, административные здания, широко применяющие оргтехнику и т.п.).
Для определения уровней гармоник тока в питающих административное здание кабелях были произведены в течение недели измерения во внутренних распределительных устройствах трех административных зданий на вводах кабелей, проложенных от трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ.
Недельный график нагрузки административного здания, работающего 5 дней в неделю, характеризуется периодичностью. Начало и окончание рабочего дня отчетливо совпадает с увеличением и уменьшением потребляемой мощности.
Измерения производились с целью определения спектра высших гармоник тока, потребляемого административным зданием в режиме максимума его нагрузки. В таблице 1.2.2 представлены получасовые значения токов высших гармоник осредненных по фазам в максимум нагрузки для разных административных зданий, сформированные по такому же принципу, что и для торгового центра.
Расчет поправочных коэффициентов для длительно допустимых токов кабеля, при питании нелинейной нагрузки
Рассмотренный метод не будет давать погрешности при равенстве токов в нулевой и фазных жилах и при равенстве сечений нулевой и фазных жил. Однако, первое равенство выполнимо в очень редких случаях, так как значение токов в нулевом проводе зависит от спектра токов высших гармоник нагрузки. Это определяется тем, что преобразование из четырех источников тепла в три будет совершенно эквивалентно, в связи с одинаковой температурой жильной изоляции в каждой точке пространства между жилами.
Расчет поправочных коэффициентов, для различных типов нелинейной нагрузки и марок кабеля приведен в приложение Б. Результаты сведены в таблицу 2.3.8.
Данным методом возможно рассчитать только коэффициенты, учитывающие снижение пропускной способности кабеля из-за токов высших гармоник, но так как тепловая задача не составляется и не решается невозможно узнать температуру кабеля в случае перегрева. Для расчета температуры кабеля можно пользоваться известным методом расчета, основанным на составлении и расчете тепловых схем замещения.
Метод расчета температуры изоляции жилы кабеля с использованием тепловых схем замещения.
Суть этого метода заключается в приведение тепловой задачи к электрической и последующего расчета электрической схемы. Закон, описывающий процесс передачи теплоты, именуется «тепловым законом Ома» [25]: AT = P-S, (2.3.11) где AT - разность температур между какими-либо точками на изотермических поверхностях кабеля или кабеля и окружающей среды, К; P - тепловой поток, проходящий через эти изотермические поверхности, Вт; S - тепловое сопротивление элемента кабеля и окружающей среды, К/Вт.
Для расчета температуры необходимо определить все источники теплоты в кабеле, а также тепловые сопротивления элементов конструкции и окружающей среды. В стандарте [18] расчет тепловых сопротивлений приведен для кабелей различных конструкций. Однако, в нем не учитывается возможность протеканий значительных токов по нулевому проводнику. Предложенный в настоящем разделе аналитический метод расчета поправочного коэффициента основывается на понятии эквивалентного тока, что является приведением четырех источников тепла (3 фазных жилы и ноль) к трем фазным жилам. Основываясь на достаточной точности эквивалентного преобразования, можно воспользоваться выражениями, с помощью которых рассчитываются тепловые сопротивления в [18] для трехфазных кабелей с секторными жилами и с поясной изоляцией.
Тепловое сопротивление между жилой и оболочкой (S1) для трехжиль-ных кабелей с секторными жилами и поясной изоляцией определяют по фор муле 2я -{dx +t}где рт - удельное тепловое сопротивление изоляции, Км/Вт; d жилы, мм; гх - радиус окружности, описанной вокруг жил, мм; dx - диаметр круглой жилы с такой же площадью поперечного сечения и степенью уплотнения, что и фасонная жила, мм; t - толщина изоляции между жилой и оболочкой, мм. толщина защитного покрытия, мм; Da - наружный диаметр брони (для небронированных кабелей принимают наружный диаметр элемента, располагаемого обычно непосредственно под броней, т.е. оболочки, экрана или подушки), мм.
Тепловое сопротивление окружающей среды для изолированного кабеля, проложенного в земле s4 = — 2л (2.3.15) где L – расстояние от поверхности земли до оси кабеля, мм; De - наружный диаметр кабеля, мм. Тепловая схема замещения, на основании которой будет производиться расчеты для четырехжильного кабеля, представлена на рисунке 2.3.3 Pж S ж T T ж Pж S Pж S s s S4 T ж T Рисунок 2.3.3 – Тепловая схема четырехжильного кабеля Для трехжильного кабеля с нулевым проводом, выполненного по оболочке кабеля, тепловая схема не претерпит значительных изменений (рисунок 2.3.4). Добавиться в точке 2 составляющая потерь активной мощности в оболочке, а мощность тепловыделения в фазной жиле будет пропорциональна не квадрату эквивалентного тока, а квадрату среднеквадратичного значения протекающего фазного тока.
Тепловая схема трехжильного кабеля Температура изоляции жилы для четырехжильного кабеля будет равна тж=Pж-S1+З.Pж(S2+S 3+S4) + токр.ср, (2.3.16) где гокрср - температура окружающей среды, К. Для трехжильного кабеля с нулевым проводником, выполненным по оболочке тж = Pж S1 + 3 (Pж + Pн) .(S2+S3+S4) + гокрхр (2.3.17) Из формул (2.3.16) и (2.3.17) видно, что температура изоляции жилы является прямой зависимостью от мощности тепловыделения с постоянной составляющей равной температуре окружающей среды.
Корректность применения данных схем для решения тепловой задачи с учетом влияния высших гармоник тока проверена на примере расчета кабеля АСБ 4х150. Температура изоляции жилы для четырехжильного кабеля будет равна гж=19,21-0,3141 + 3-19,21-(0,0537 + 0,1499 + 0,767б) + 15 = 77,004С
Полученное значение отличается от рассчитанного ранее значения (78,5С) в программном комплексе Elcut. Следует отметить, что среди всех тепловых сопротивлений наибольшее по величине является тепловое сопротивление земли, именно оно в значительной степени определяет нагрев кабеля. В связи с тем, что теплопроводность земли зависит от типа почвы и количества содержащейся в почве влаги данное значение может меняться в широком диапазоне от 1,05 до 0,75 от номинального значения в 1,2 Kм/Вт. Поэтому полученная погрешность расхождений в результатах в 1,9 % является приемлемой для практических инженерных расчетов.
Вторым методом является метод простого перебора. С помощью него можно найти поправочные коэффициенты, учитывающие тип нагрузки, для которой выбирается кабель. Подбор значений токов, при известном спектре высших гармоник, осуществляется до тех пор, пока температура изоляции жилы не составит 80 С. Данный метод можно реализовать, подставляя значения потерь активной мощности, вызванных протеканием несинусоидального тока по фазным и нулевой жилам, в математическую модель, составленную в программном комплексе Elcut. Найденные значения токов и соответствующие им поправочные коэффициенты приведены в таблице 2.3.9.
Расчет коэффициентов снижения пропускной способности силовых масляных трансформаторов при питании нелинейных потребителей
Снижение пропускной способности трансформатора из-за несинусоидальных токов определяется увеличением дополнительных потерь от токов высших гармоник. Трансформатор в отличие от кабеля представляет собой более сложное электротехническое оборудование, в котором потери активной мощности сосредоточены не только в обмотках, но и в других конструкционных частях из-за действия переменного электромагнитного поля. Следовательно, на первом этапе исследования необходимо дать классификацию потерь активной мощности в трансформаторе и определить составляющие, зависящие от значения и спектра протекаемого через трансформатор тока.
При протекании электрического тока через любое электротехническое устройство в последнем возникают потери активной мощности. Все потери в трансформаторе можно разделить на условно-постоянные (потери холостого хода), возникающие из-за перемагничивания стали сердечника, и условно-переменные (нагрузочные потери) [41]. Сумма этих двух составляющих определяют общие потери в трансформаторе.
Условно-постоянные потери (Pхх) измеряются при проведении опыта холостого хода. В режиме холостого хода потребляемая трансформатором активная мощность идет на покрытие потерь в стали магнитопровода и представляется суммой двух составляющих: потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов.
Нагрузочные потери (Pнагр) определяются из опыта короткого замыкания и разделяются на основные потери (Pосн), их иногда еще называют омические потери, в обмотках трансформатора и добавочные потери от действия полей рассеяния (Pдоп). Потери от полей рассеяния могут быть определены как потери из-за рассеяния электромагнитного потока в обмотках, стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках, нажимных и стяжных пластинах, бандажах и экранах. Потери от полей рассеяния определяются вычитанием основных потерь от измеренных нагрузочных потерь.
Pдоп = P нагр - P осн (3.1.1)
В свою очередь, потери от полей рассеяния разделяют на потери в проводнике обмоток (Pобм) и потери рассеяния в других частях трансформатора, кроме обмотки.
Потери от рассеяния в обмотках включают потери на вихревые токи и потери из-за циркуляции токов [26]. Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называются вихревыми, а замыкающиеся между параллельными ветвями обмоток - циркулирующими.
Добавочные потери в обмотках от вихревых и циркулирующих токов неодинаково распределены по обмоткам трансформатора, так как вызывающее их магнитное поле рассеяния обмоток для различных проводников обмотки имеет разное значение. Наиболее сильно оно вблизи канала между обмотками. Следовательно, в этой зоне наибольшая индукция поля рассеяния вызовет наибольшие добавочные потери. С отдалением от канала рассеяния добавочные потери в обмотке уменьшаются.
Среднее значение добавочных потерь в обмотке можно определить умножением коэффициента добавочных потерь k д на величину основных потерь в обмотке [45]
Робм=кд-Росн, (3.1.2) где кд - коэффициент увеличения добавочных потерь определяется по формулам (3.1.3) для обмотки из прямоугольного провода и (3.1.4) для обмотки из круглого провода где / - частота переменного тока, Гц; р - удельное электрическое сопротивление металла обмоток, мкОмм; Ъ- размер проводника, параллельный направлению линий магнитной индукции поля рассеяния, см; а - размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции поля рассеяния, см; / - общий размер обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния, см; т - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению магнитной индукции поля рассеяния, n - число проводников обмотки в направлении перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; к - коэффициент Роговского. размер масляного канала между обмоткой ВН и НН; a 1 - радиальный размер обмотки НН; a2 - радиальный размер обмотки ВН; / - общий размер обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния Добавочные потери в баке, прессующих балках и т.д. зависят от распределения и интенсивности поля рассеяния, от удаленности, размеров и формы ферромагнитных деталей и их магнитных свойств. Их расчет является достаточно сложной задачей. Для решения ее используют разные методы, основанные на допущениях, однако даже эти методы с применением для расчета вычислительной техники дают расхождения в результатах [26].
При проектировании силовых трансформаторов приняты некоторые соотношения, позволяющие оценить добавочные потери в тех или иных частях трансформатора. Приближенно можно учесть потери в баке трансформаторов мощностью от 100 до 6300 кВА по следующей формуле [45]
Ущерб из-за уменьшения срока службы электрооборудования
Превышение максимально допустимой температуры изоляции приводит к отказу оборудования. В результате возможен кратковременный перерыв электроснабжения потребителя. Ущерб потребителя складывается из двух составляющих: ущерб от внезапного нарушения электроснабжения и издержки связанные с простоем потребителя [69]. Первая составляющая связана с расстройством технологического процесса, повреждением силового оборудования, поломкой, браком и порчей сырья и готовой продукцией. Вторая составляющая обусловлена постоянными издержками, которые при переры 101 вах электроснабжения не могут быть перенесены на себестоимость производства. Основная составляющая из них составляет оплата труда персонала. Размеры удельных ущербов от перерывов электроснабжения для разных типов потребителей значительно отличаются, и в каждом отдельном случае потребитель может выставить исковые требования к компании на основании тех реальных убытков, которые он понес и той упущенной выгодой, которую он планировал получить.
В литературе [27, 57, 59, 63] приводятся приближенные, ожидаемые значения ущерба от перерыва электроснабжения. Наиболее полные, обобщенные сведения об удельных значения ущербов для российских потребителей приведены в [27]. Однако, данные приведенные в этом труде основаны на анализе материалов исследований 70-80х годов. В отношении основных потребителей, работающих в сфере оказания услуг в [27] сведения не приведены, за исключением единственного значения в размере $8,07 за кВтчас для жилищно-коммунального сектора городского хозяйства. Для оценки стоимости перерывов электроснабжения коммерческих и административных зданиях предлагается обратиться к данным, приведенным в [63].
Для коммерческих зданий величина удельного ущерба от перерыва электроснабжения равна $21,77 за каждый кВтчас недопоставленной энергии (для административных 26,76 $/ кВтчас), что в 3 раза превышает значение удельного ущерба для жилищно-коммунального хозяйства РФ. Отдельно проводились исследования [61] о величине ущерба от перерыва электроснабжения офисных зданий и компьютерных центров (результаты представлены в таблице 4.5.1) Таблица 4.5.1 – Величина удельного ущерба перерыва электроснабжения офисных зданий
Как видно из таблицы 4.5.1 средние значения ущербов для таких типов зданий не отличаются от принятых в стандарте [61]. Однако, при отключении в максимум нагрузки, при котором и происходят, как правило, аварии по причине недопустимого нагрева, величина удельного ущерба может возрасти от 2,5 до 9 раз в зависимости от продолжительности перерыва.
Приведенная выше классификация ущербов от высших гармоник тока и напряжения и методика оценки размера каждой из составляющих описывает возможные ущербы, которая понесет электросетевая компания. Однако, при некоторых условиях та или иная составляющая ущерба будет отсутствовать. К примеру, если температура наиболее нагретой точки изоляции не превышает длительно допустимой температуры, ущерб от сокращения срока службы оборудования равен нулю, при этом ущерб от дополнительных потерь электроэнергии от токов высших гармоник таковым не является. Следовательно, необходим некий индикатор, который указывал бы на наступление того или иного вида ущерба. Таким индикатором может выступать температура наиболее нагретой точки изоляции.
Для каждого вида оборудования установлены предельные значения длительно допустимой и максимально допустимой температуры изоляции в наиболее нагретой точке при продолжительных перегрузках. В зависимости от реального значения температуры наиболее нагретой точки изоляции все ущербы распределяются на три группы в зависимости от их появления и учета (таблица 4.6.1).
В последней группе ущерб от дополнительных потерь от высших гармоник тока не учитывается, так как продолжительность данного режима небольшая и приводит в конечном итоге к повреждению оборудования. При этом, составляющие, обусловленные заменой поврежденного оборудования и ограничения потребителей, превосходят затраты на компенсацию дополни тельных потерь электроэнергии. в зависимости от температуры наиболее нагре Таблица 4.6.1 – Классификация ущербов той точки изоляции.
Значение температуры изоляции т траб дл.доп Гдл.доп ?"раб Гмакс Т Траб макс Режим нагрузки Перегрузка допустимая Перегрузка оборудованиянедопустимая, снижениесрока службы Перегрузка недопустимая, выход из строя оборудования
Виды ущерба Дополнительныепотери электроэнергии в оборудовании от высших гармоник тока; Ущерб, обусловленный недоиспользованиемоборудованияэлектрической сети; Технологическийущерб потребителя. Дополнительные потери электроэнергии воборудовании отвысших гармоник тока; Ущерб, обусловленный недоиспользованием оборудованияэлектрической сети; Ущерб от снижениясрока службы оборудования; Технологическийущерб потребителя. Ущерб от недо-отпуска электроэнергии потребителям; Затраты на внеплановую замену оборудования или его капитальный ремонт. фидеров 1, 2 и 5 соответственно равны 0,2; 0,5 и 0,3 км. Схема трансформаторной подстанции представлена на рисунке 4.7.1. Так как нагрузка по фазам кабелей распределена несимметрично, но ее уровень по току не превышает требований, установленных в [36], действующее значение тока в каждой из фаз принимается равным среднеарифметическому значению фазных токов кабеля. В таблице 4.7.1 представлены значения коэффициентов загрузки оборудования относительно длительно допустимого тока для линий и номинального тока для трансформаторов. Реальный график нагрузки оборудования является изначально двухступенчатым и не требует преобразования с использованием известных методов.
Первоначальная загрузка каждого из рассматриваемых объектов такова, что температура изоляции не превышает длительно допустимую, так как коэффициент загрузки в максимум нагрузки меньше поправочного коэффициента. Следовательно, здесь имеет место ущерб только от дополнительных потерь на высших гармониках тока, который можно оценить по формулам (4.2.3) для кабельных линий и (4.2.5) для трансформаторов. Используя их для рассматриваемых объектов при известных графиках нагрузки, получены следующие результаты (таблица 4.7.2).
Таким образом, за одни сутки при двухступенчатом графике нагрузки с продолжительностью максимума 10 часов дополнительно расходуется на покрытие потерь активной мощности от токов высших гармоник 81,84 кВтч, что в стоимостном эквиваленте при цене 1,49 руб/кВтч потерь электроэнергии для г. Москвы составит 121,94 руб. С учетом предположения о неизменности и периодичности дневного графика нагрузки за год потери от высших гармоник тока составят 44508,7 руб./год. Анализ полученных результатов указывает на то, что основные потери приходятся на кабели, так как они имеют большую загрузку и их потери активной мощности сильнее зависят от высших гармоник. Построенные диаграммы стоимости дополнительных по-105 терь от токов высших гармоник для кабелей марки АСБ 4х95 протяженностью 1 км (рисунок 4.7.2а) и для трансформатора ТМ – 400/10 (рисунок 4.7.2б) дают представления о характере изменения при неизменном графике нагрузки потребителя при различных коэффициентах загрузки оборудования в максимум и минимум нагрузки.
