Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Анализ режимов работы силовых трансформаторов и методов 10
расчета их параметров и надежности
Анализ условий эксплуатации и режимов работы 10
Надежность и качество функционирования силовых трансформато- 14 ров и методы расчета их показателей
Методы определения рациональных режимных параметров сило- 20 вых трансформаторов
1.4 Цель и задачи исследования 26
1.5. Выводы 27
2. Потери в силовых трансформаторах при нелинейных нагрузках 29
2.1. Структура потерь в силовых трансформаторах и методы их оценки. 29
Потери на вихревые токи в структурных элементах силового 30 трансформатора
Потери на гистерезис в структурных элементах силового транс- 45 форматора
Моделирование электромагнитного поля силового трансформатора 48 методом конечных элементов
Оценка дополнительных потерь в элементах силового трансформа- 55 тора при нелинейной нагрузке
Выводы 61
3. Моделирование теплового режима силового трансформатора с 63
целью определение скорости его старения при нелинейной нагруз
ке
3.1. Особенности проведения расчетов теплового режима силового 63
трансформатора
3.2. Моделирование теплового режима силового трансформатора. 65
3.3. Определение остаточного ресурса силового трансформатора по 81
температуре наиболее нагретой точки его обмотки
3.4. Выводы 84
4. Определение надежности силовых трансформаторов электропи- 85
тающих систем
Определение уровня надежности 85
Условия реализуемости конструкционной и функциональной на- 88
дежности
4.3. Диагностирование технического сосотояния силовых трансформа- 93
торов
Определение показателей надежности 100
Выводы 101
5. Обоснование рациональных режимных параметров силовых 102
распределительных трансформаторов Тульских городских сетей
для повышения надежности и качества их функционирования при
нелинейности нагрузки потребителей
Описание объекта исследования 102
Экспериментальное изучение изменения остаточного ресурса изо- 105 ляции трансформатора с изменением параметров нагрузки
Организационно-технические методы повышения надежности и 107 качества функционирования силовых распределительных трансформаторов Тульских городских сетей
Определение и обоснование рациональных режимных параметров 112 силовых распределительных трансформаторов Тульских городских сетей
Выводы 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
ЛИТЕРАТУРА 118
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Актуальность темы. Силовые трансформаторы являются важнейшими элементами электропитающих систем. От их надежности и качества функционирования в большой степени зависит надежность и качество функционирования такого крупного электротехнического комплекса, как электропи-тающие системы. Выход из строя одного или нескольких силовых трансформаторов может привести к очень высоким техническим и экономическим издержкам.
На современном этапе в Российской Федерации для городских электропитающих систем характерна тенденция постоянного увеличения доли силовых трансформаторов, выработавших не только назначенный, но и парковый ресурс, при этом темпы их замены настолько малы, что процесс старения парка силовых трансформаторов практически не снижает своего движения. Объем «старого» оборудования настолько велик, что быстрая его замена практически невозможна как из-за недостаточности необходимых производственных мощностей, так и по причине недостатка строительно-монтажного персонала. Существующие темпы ввода новых энергетических мощностей часто не успевают за темпами роста энергопотребления, что в ряде регионов уже сегодня является фактором, сдерживающим рост экономики в целом. В этих условиях совершенствование системы сервисного обслуживания стареющего электрооборудования становится не только задачей поддержания его работоспособности, но и задачей поддержания на должном уровне надежности электроснабжения в целом.
При этом надо отметить, что для электропитающих систем кроме проблемы, связанной со «старением» электороборудования, на современном этапе возникла новая проблема, связанная с увеличивающейся долей потребителей с нелинейной нагрузкой в связи с повсеместным использованием импульсной электронной техники (компьютеры, преобразователи частоты, энергосберегающие лампы, и.т.д.). Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Эти потери
могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева.
Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы трансформатора зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать трансформатор на всю его номинальную мощность, ее приходится занижать. Например, полная загрузка трансформатора может наступить при использовании лишь 80% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных. Если не учитывать превышение температуры и попытаться использовать трансформатор «в соответствии» с его номинальными данными, срок его службы вполне может сократиться с 40 лет до 40 дней.
Кроме того, высокочастотные гармоники тока — это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора. Для линейных нагрузок, потери на вихревые токи со значением тока составляют в общих потерях приблизительно 5%, с нелинейной нагрузкой они иногда возрастают в 15—20 раз.
Поэтому одной из актуальных задач повышения надежности и качества функционирования электропитающих систем является разработка методики обоснования рациональных режимных параметров силовых трансформаторов, комплексно учитывающей нелинейность нагрузки, вихревые токи, явление гистерезиса и влияния квазистационарных переходных электромагнитных и тепловых процессов.
Цель работы состоит в повышении надежности и качества функционирования силовых трансформаторов электропитающих систем путем обоснования рациональных режимных параметров, комплексно учитывающих нелинейность нагрузки, вихревые токи, явление гистерезиса и влияния квазистационарных переходных электромагнитных и тепловых процессов
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель потерь в конструкционных элементах силового трансформатора при нелинейной нагрузке с учетом явления гистерезиса, вихревых токов и поверхностного эффекта;
разработать математическую модель динамики тепловых процессов в силовом трансформаторе с учетом его конструктивных особенностей, способов охлаждения, потерь на гистерезис и вихревые токи в условиях проявления поверхностного эффекта при нелинейной нагрузке;
разработать математические модели конструктивной и функциональной надежности силового трансформатора, а на ее основе определить условия их реализуемости.
Идея работы заключается в обеспечении требуемой надежности и качества функционирования силового трансформатора, достигаемых определением его оптимальных режимных параметров, для повышения эффективности его работы, увеличения срока службы и повышения качества энергоснабжения.
Методы исследования. В диссертационной работе применены: положения теории электромагнитного поля и теоретических основ электротехники, теория тепловых процессов и тепломассопереноса, теория надежности технических систем, методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, элементы теории вероятностей, математической статистики и планирования эксперимента, методы оптимизации, программирование в системе MATLAB. Проверка теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлены закономерности формирования рациональных ре-
жимных параметров силовых трансформаторов электропитающих систем, учитывающих в комплексе нелинейность нагрузки, вихревые токи, явления гистерезиса и влияние квазистационарных переходных электромагнитных и
тепловых процессов, обеспечивающих повышение их надежности и качество функционирования;
Определены требуемый уровень и показатели надежности силового трансформатора при нелинейной нагрузке для прогнозирования его остаточного ресурса;
Разработана методика реализации технических решений по повышению надежности и качества работы силовых трансформаторов на основе оптимизации топологии электропитающих систем и систем коммутации ее основных элементов .
Научная новизна работы заключается в следующем:
Путем моделирования квазистационарных переходных электромагнитных процессов в силовом трансформаторе с учетом его конструктивных особенностей при нелинейной нагрузке установлены закономерности формирования рациональных режимных параметров силовых трансформаторов электропитающих систем, учитывающие в комплексе нелинейность нагрузки, вихревые токи, явления гистерезиса и влияние квазистационарных переходных электромагнитных и тепловых процессов, обеспечивающих повышение их надежности и качество функционирования;
Разработаны математические модели тепловых процессов в силовом трансформаторе с учетом его конструктивных особенностей и дополнительных тепловых потоков, связанных с вихревыми токами, явлением гистерезиса и квазистационарными переходными электромагнитными процессами
Определены требуемый уровень и показатели надежности силового трансформатора на основе разработанных моделей квазистационарных переходных электромагнитных и тепловых процессов;
Определены зависимости для прогнозирования остаточного ресурса силового трансформатора при различных технологических и режимных ограничениях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физическими обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составляет от 4 до 11%. Практическая ценность работы.
Практическая ценность работы заключается
в разработке методики обоснования рациональных режимных параметров силовых трансформаторов электропитающих систем, учитывающих в комплексе нелинейные нагрузки, вихревые токи, явления гистерезиса и влияние квазистационарных переходных электромагнитных и тепловых процессов, обеспечивающих повышение их надежности и качество функционирования
Реализация технических решений на основе оптимизации топологии электропитающих систем и систем коммутации ее основных элементов.
Реализация результатов работы.
Результаты работы используются в ОАО «ТГЭС» в рамках мер по сокращению технологических потерь электроэнергии, составлению программы профилактических ремонтов оборудования, планировании модернизаций схемы сетей, прогнозировании затрат на эксплуатацию оборудования.
Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий», «Переходные процессы в электроэнергетических системах», читаемых на кафедре «Электроэнергетика» Тульского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались на Ш-й научно-технической магистерской конференции ТулГУ (г.Тула,2008), Международных конференциях «Энергосбережение» (2004-2009г., г.Тула), «Энергоэффективность» (2008-20Юг., г.Тула).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 статьях, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, выполнена на 131 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка, 10 таблиц, список использованной литературы из 191 наименований и приложения.
Автор выражает благодарность заведующему кафедрой Электроэнергетики Тульского государственного университета доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за ценные научные консультации при работе над диссертацией.
