Содержание к диссертации
Введение
1. Устройства управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей, их роль в повышении эффективности электропотребления и энергосбережения 24
1.1. Роль потребителя электрической энергии в снижении энергоемкости валового национального продукта 24
1.2. Некоторые особенности процесса электропотребления 28
1.3. Система управления передачей электроэнергии в электрохозяйстве потребителя 36
1.4 Аппараты управления и защиты в сети напряжением 6-10 кВ 43
1.5. Аппараты управления и защиты в сети напряжением до 1 кВ с проводниками и кабелями, питающими группы электроприемников 44
1.6.Полупроводниковые аппараты управления и их защита от аварийных токов 55
1.7. Устройства защиты от однофазных коротких замыканий в электрических сетях с заземленной нейтралью 70
1.8. Устройства управления режимами электропотребления 76
1.9. Элементы организационной структуры управления функционированием устройств управления передачей электроэнергии 78
1.10. Задачи исследований 84
2. Математическая модель эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей, анализ параметров и путей их оптимизации 86
2.1. Математическая модель эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей 86
2.2. Оценка параметров модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии 94
2.3. Сопоставление параметров модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии 95
2.4. Критерии оценки принимаемых решений для повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии 100
2.5. Анализ путей реализации технических и организационных решений для повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии 112
Выводы 115
3. Повышение эффективности функционирования аппаратов управления и защиты путем применения новых технических решений 118
3.1. Управляемые предохранители 118
3.2. Жидкометаллические самовосстанавливающиеся предохранители (ЖСП) 128
3.2.1. Принцип действия ЖСП и основные проблемы их создания в РФ 128
3.2.2. Выбор материала диэлектрической втулки и жидкого металла для ЖСП 130
3.2.3. Выбор материалов контактных выводов ЖСП 139
3.2.4. Конструкции ЖСП и область их применения 146
3.2.5. Защитная характеристика и быстродействие ЖСП 159
3.3. Новый тип ЖСП со стабилизированной защитной
характеристикой (ЖСПС) 170
3.3.1. Математическая модель плавкого предохранителя в установившемся тепловом режиме 170
3.3.2. Исследование возможности повышения стабильности защитной характеристики ЖСП 180
3.3.3. Экспериментальное исследование макетной конструкции ЖСПС со стабилизированной защитной характеристикой 202
3.4. Устройство защиты от однофазных коротких замыканий в сети напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью 209
Выводы 214
4. Основные требования к параметрам защитного устройства на основе жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей 217
4.1 Математическая модель процесса срабатывания жидкометаллического самовосстанавливающегося предохранителя при коротком замыкании 217
4.2. Анализ работы жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей при коротких замыканиях 223
4.3. Коммутационные испытания макетных образцов жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей 237
Выводы 250
5. Реализация новых технических решений 252
5.1. Опытный образец устройства защиты на основе УП с кварцевым наполнителем 252
5.2. Анализ вариантов использования ЖСП и ЖСПС в устройствах защиты полупроводниковых аппаратов управления 258
5.3. Расчет параметров защитного устройства на основе ЖСП и ЖСПС 264
5.4. Техническая реализация защитного устройства на основе ЖСП и ЖСПС 269
5.5. Экспериментальное исследование защитного устройства на основе ЖСП 274
5.6 Возможные варианты использования защитного устройства на основе ЖСП и ЖСПС в системах электроснабжения до 1 кВ 275
5.7. Основы методики проектирования новых устройств управления и защиты 278
5.7.1. Основы методики проектирования устройств на основе управляемых предохранителей 279
5.7.2. Основы методики проектирования устройств на основе ЖСП 279
5.8. Эффективность использования предложенных технических решений 286
Выводы 287
6. Анализ эффективности функционирования устройств управления потреблением реактивной мощности 290
6.1. О правилах применения скидок и надбавок к тарифам за потребление и генерацию реактивной энергии 291
6.2. Недостатки и пути совершенствования формы оплаты за потребление и генерацию реактивной энергии и мощности 300
6.3. Соответствие формы оплаты за потребление и генерацию реактивной энергии действующему законодательству 315
Выводы 326
7. Повышение эффективности функционирования устройств управления режимами электропотребления путем применения новых элементов организационной структуры 330
7.1. Основа структуры управления режимами электропотребления...330
7.2. Структура управления режимами электропотребления 338
7.3. Организационная структура энергетического менеджмента 341
7.4. Новые функции энергетических служб промышленных предприятий, условия их выполнения 345
7.5. Рынок образовательных услуг 349
7.6. Рынок технических средств регулирования режимов электропотребления 355
7.7. Программные модели обработки и представления информации для принятия решений 364
7.8. Концепция совершенствования системы управления режимами потребления электроэнергии 365
7.9. Эффективность использования предложенных организационных решений 366
Выводы 368
Заключение 371
Список использованных источников ...374
Приложения 396
- Аппараты управления и защиты в сети напряжением до 1 кВ с проводниками и кабелями, питающими группы электроприемников
- Сопоставление параметров модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии
- Математическая модель плавкого предохранителя в установившемся тепловом режиме
- Анализ работы жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей при коротких замыканиях
Введение к работе
На современном этапе развитие экономики страны идет по пути рыночных преобразований. Глобальной целью преобразований является достижение высоких конечных результатов хозяйственной деятельности в сочетании с оптимальными затратами при дефицитности ресурсов. Рыночные преобразования затронули все сферы хозяйственной деятельности, в том числе электроэнергетику. Развитие энергетики до 2020 года предусмотрено созданной и утвержденной Правительством Энергетической стратегии России, высшим приоритетом которой является повышение эффективности энергопотребления и энергосбережения. Важнейшую роль в достижении приоритетной цели играют потребители электрической энергии, которые получают ее от энергоснабжающей организации в точке раздела балансовой принадлежности сети.
Проблема повышения эффективности электропотребления и
энергосбережения в электрохозяйстве потребителя многосторонняя. С одной стороны, она может решаться за счет снижения энергопотребления при использовании энергоэффективного оборудования, энергосберегающих технологий и т.п. С другой стороны ее решение определяется снижением затрат на передачу электроэнергии по электрическим сетям (ЭС) потребителей. В большинстве случаев это ЭС напряжением 6-10 и 0,4 кВ.
Известно, что затраты на передачу электроэнергии по ЭС 6-10 и 0,4 кВ составляют более 50% затрат на ее производство и передачу от генераторов станций до электроприемников (ЭП), поэтому их снижение связано с существенным снижением расхода национальных ресурсов, в том числе невосполняемого запаса топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Большое значение для повышения эффективности передачи электроэнергии в системах электроснабжения потребителей (СЭ) имеют вопросы управления этим процессом.
Основу системы управления процессом передачи электроэнергии
(СУП) составляют технические устройства управления передачей
электроэнергии. Это — аппараты управления и защиты, обеспечивающие
необходимую степень надежности электроснабжения ЭП в нормальном и
аварийном режимах, и устройства управления режимами
электропотребления (показателями этих режимов являются: коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, потребляемая реактивная мощность, показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и т.п.), обеспечивающие экономичность передачи электроэнергии.
Эффективность функционирования каждого из устройств управления передачей электроэнергии предполагает выполнение им заданных функций при минимальных затратах и характеризует эффективность СУП. Проблема повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в СЭ потребителей связана с проблемой эффективности передачи электрической энергии и является актуальной.
Эффективность функционирования устройств управления передачей электроэнергии в значительной степени зависит от совершенства элементов, образующих организационную структуру управления этими устройствами (широкий круг технических, экономических, юридических, социальных и т.п. решений, принимаемых на основе создаваемых человеком критериев их оценки, система исполнения этих решений и т.д.). Основу организационной структуры управления функционированием устройств управления передачей электроэнергии составляет совокупность создаваемых человеком критериев для оценки принимаемых решений при проектировании и эксплуатации устройств.
Эти критерии находят отражение в руководящих указаниях, нормах, рекомендациях, технических условиях, служебных документах и т.п. Главной функцией организационной структуры управления является создание необходимых условий для возникновения спроса и применения технических
устройств управления передачей электроэнергии. При отсутствии таких условий любые технические решения, даже соответствующие самым строгим критериям их оценки могут не востребоваться и не применяться потребителями электроэнергии. После того как такие условия созданы, главной функцией организационной структуры становится создание условий для рационального использования технических возможностей устройств управления передачей электроэнергии в СЭ.
Исследования показывают, что в существующей структуре внешнего управления (со стороны государственных органов) отсутствуют критерии, предполагающие рациональное использование технических возможностей существующих и создаваемых аппаратов управления и защиты напряжением до 1 кВ. Применение известных аппаратов управления и защиты связано с завышением их технических характеристик по отношению к требованиям электрической сети или завышению номинальных параметров защищаемых ими элементов электрической сети. Необходимо создание новых аппаратов управления и защиты, технические характеристики которых строго соответствуют требованиям электрической сети, обеспечивая при этом снижение инвестиционной составляющей затрат в ЭС. Отсутствие таких аппаратов увеличивает затраты на производство и передачу 1 кВт-ч электроэнергии более чем на 4%.
Существующие критерии управления в организационной структуре внешнего управления не создают условий для возникновения спроса на устройства управления режимами электропотребления. Заинтересованность в этом у потребителей отсутствует. Экономические рычаги управления не находят должного применения. Большой вклад в создание теоретических основ управления режимами электропотребления внесли российские ученые Арзамасцев Д.А., Вагин Г.Я., Веников В.А., Воротницкий В.Э., Гамазин СИ., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Карпов Ф.Ф., Каялов Г.М., Кудрин Б.И., Кучумов Л.А., Лоскутов А.Б., Мукосеев Ю.Л., Немцев Г.А.,
Никифорова В.Н., Поспелов Г.Е., Сыч Н.М., Федоров А.А., Черепанов В.В., Шидловский А.К. и многие другие. Оригинальный подход к тарифной политике предложен такими учеными как Б.В. Папков [182] и др.
Часть их предложений не нашли практического применения. Другая часть нашла воплощение в новой форме оплаты за потребление и генерацию реактивной энергии и ПКЭ, введенной в действие в 1991 году. Однако в 2001 году эта форма оплаты была отменена как не соответствующая действующему законодательству [61]. Предусмотренные нормативно-правовой базой экономические рычаги управления, такие как временное предоставление льготных тарифов, энергетических кредитов ставят потребителя в зависимость от государственных контролирующих органов. Массовость потребителей требует содержания значительного персонала контролирующих органов, снижает эффективность и увеличивает затраты на управление.
Существующая структура внутреннего управления электрохозяйством потребителей не создает условия для заинтересованности в управлении режимами электропотребления структурных подразделений и персонала, занятого непосредственно технологическим процессом производства. Критерии экономического управления в существующей структуре внутреннего управления электрохозяйством просто отсутствуют.
Участие этого персонала в регулировании коэффициента заполнения суточного графика нагрузки просто необходимо. Специалисты энергетических служб потребителей не могут принимать решения, связанные с изменениями в технологическом процессе. Структура управления электрохозяйством потребителей не предусматривает специальных звеньев и персонала, занимающегося вопросами энергосбережения. Увеличение затрат на производство 1 кВт-ч электроэнергии при снижении коэффициента заполнения суточного графика активной мощности до 0,25 достигает 50% и более.
Развитие организационной структуры управления
электропотреблением ведется преимущественно в направлении
административного вмешательства государства в процесс регулирования режимов. Нормативно-правовой базой предусмотрены обязательные энергетические обследования потребителей, государственное статистическое наблюдение за использованием энергоресурсов и т. п. [34]. Однако эти мероприятия без сочетания с экономическими стимулами не дают желаемого эффекта. Затраты на производство и передачу 1 кВт-ч электроэнергии при отсутствии регулирования режимов электропотребления возрастают на десятки процентов.
Актуальным является поиск новых решений, направленных на совершенствование организационной структуры управления. В ее составе должны быть новые критерии управления для оценки принимаемых технических и организационных решений. Часть из этих критериев должна представлять собой совокупность требований к новым аппаратам управления и защиты напряжением до 1 кВ, обеспечивающим рациональное использование их технических возможностей в СЭ. Другая часть - создавать условия для возникновения и поддержания спроса на устройства управления режимами электропотребления и условия, обеспечивающие заинтересованность в регулировании режимов электропотребления всех структурных подразделений системы управления производством продукции у потребителя, включая лиц, занятых непосредственно технологическим процессом. К сожалению, обоснование и выбор критериев управления для оценки принимаемых решений еще не решает проблему эффективности функционирования устройств управления режимами электропотребления. Необходима реализация технических и организационных решений с учетом обоснованных критериев их оценки.
Реализация технических решений может быть направлена на создание новых устройств защиты на основе управляемых предохранителей (УП),
жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП), устройств защиты от однофазных замыканий в сетях с заземленной нейтралью до 1 кВ (УЗОЗ). Технические и экономические характеристики УП и ЖСП более всего приближаются к требованиям рационального использования технических возможностей аппаратов управления в СЭ, предполагающим обеспечение необходимой степени надежности при ограниченности инвестиций в СЭ.
Разработка теоретической, методической и технической базы создания УП и УЗОЗ не представляет принципиальных трудностей. Эти устройства могут быть созданы на базе хорошо изученных, серийно выпускаемых плавких предохранителей и устройств релейной защиты. Теоретическая, методическая и техническая база создания этих устройств может основываться на критериях оценки принимаемых решений, учитывающих рациональное использований технических характеристик в СЭ, теории электрических аппаратов, теории релейной защиты. По сути дела разработка теоретической, методической и технической базы создания устройств УП и УЗОЗ является развитием хорошо изученной и проверенной на протяжении многих лет теоретической, методической и технической базы создания плавких предохранителей и устройств релейной защиты.
В отличие от УП и УЗОЗ, ЖСП - принципиально новые аппараты управления и защиты. Первые публикации об их исследованиях появились немногим более 30 лет назад. У нас в стране ЖСП до сих пор не производятся. Отсутствие научных основ создания ЖСП не позволяет осуществить их промышленное производство. Необходима разработка начальных положений научных основ создания и применения ЖСП. Отсутствие необходимой информации осложняет поставленную задачу.
Реализация организационных решений может быть направлена на создание новой организационной структуры управления режимами электропотребления. Наряду с критериями управления, создающими условия
«
для возникновения спроса и применения устройств управления режимами
электропотребления, она должна содержать элементы, обеспечивающие
рациональное управление режимами электропотребления. Это определяется
прежде всего образовательным уровнем персонала энергетических служб.
Его повышение может обеспечиваться при использовании нового учебно-
методического обеспечения. Рациональное управление режимами
электропотребления не может иметь место без информационно-
технологического обеспечения, предназначенного для обработки и
представления информации для принятия решений и т.п. Создание
теоретической, методической, информационно-технологической базы
повышения эффективности управления режимами электропотребления
может основываться на положениях и принципах системного подхода и
анализа.
Цель работы. Создание и реализация теоретических, методических, информационно-технологических и технических основ повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей. Реализация сформулированной цели требует решения теоретических и прикладных задач. Основные из них следующие:
Разработка математической модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в виде целевой функции интегральных дисконтированных затрат, связанных с применением и эксплуатацией этих устройств, анализ и оценка значений параметров целевой функции.
Анализ явлений, оказывающих влияние на параметры разработанной модели, и обоснование совокупности критериев оценки принимаемых технических и организационных решений, направленных на эффективное выполнение техническими устройствами управления заданных функций, а также поиск путей реализации этих решений.
Разработка по обоснованным критериям новых устройств управления и защиты до 1 кВ на основе управляемых предохранителей (УП), жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП), устройства защиты от однофазных коротких замыканий в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью.
Разработка научных основ создания ЖСП путем анализа процессов в цепи при их использовании в составе устройств защиты, выявления детерминированных связей между параметрами этих устройств, параметрами электрической сети и параметрами защищаемых элементов.
Анализ и решение задач практической реализации новых устройств управления и защиты на основе УП, ЖСП в электрических сетях до 1 кВ, их исследования и разработка основ методики их проектирования.
Разработка новой организационной структуры управления, основанной на предложенной совокупности экономических критериев оценки принимаемых решений, реализующих принцип экономической заинтересованности потребителей в улучшении показателей режимов электропотребления.
Разработка алгоритмов и программных продуктов, использующих новые методы обработки электротехнической информации для принятия решений, а также совершенствование информационно-технологического и учебно-методического обеспечения организационной структуры управления режимами электропотребления.
Основные положения, выносимые автором на защиту.
1. Модель эффективности функционирования устройств
управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей, представленная в виде функции интегральных дисконтированных затрат, связанных с применением и эксплуатацией этих устройств, и результаты оценки значений параметров функции.
Совокупность технических и экономических критериев оценки принимаемых решений и пути их реализации для оптимизации параметров целевой функции затрат.
Новые устройства управления и защиты напряжением до 1 кВ на основе УП и ЖСП, устройство защиты от однофазных коротких замыканий в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью, обеспечивающие оптимизацию параметров целевой функции.
Научные основы создания, применения и подготовки промышленного производства ЖСП в виде результатов исследований, математических и программных моделей, описывающих детерминированные связи между параметрами электрической сети до 1 кВ, устройств управления и защиты на основе ЖСП и параметрами защищаемых элементов сети.
Методика проектирования и расчета основных параметров устройств управления и защиты на основе ЖСП для их выбора при использовании в электрических сетях.
Организационная структура управления режимами электропотребления, основанная на предложенной совокупности экономических критериев оценки принимаемых решений, реализующих принцип экономической заинтересованности потребителей в улучшении показателей режимов.
Алгоритмы, реализованные в виде программных продуктов и обеспечивающие обработку, представление и использование электротехнической информации для принятия организационных и технических решений, а также информационно-технологическое и учебно-методическое обеспечение структуры управления режимами электропотребления.
Научная новизна выполненных автором работ состоит в следующем:
1. Синтезирована структурная схема управления передачей
электроэнергии в системах электроснабжения потребителей, на основе
которой разработана математическая модель, предназначенная для исследования эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии и представленная в виде функции интегральных дисконтированных затрат, связанных с применением и эксплуатацией этих устройств.
Обоснована совокупность технических и экономических критериев оценки принимаемых решений и определены пути их реализации с целью повышения эффективности передачи электроэнергии в системах электроснабжения потребителей.
Впервые разработаны математические модели процессов в электрической сети, представляющие собой научную основу создания и применения ЖСП и предназначенные для исследования детерминированных связей между параметрами электрической сети до 1 кВ, устройств управления и защиты на основе ЖСП и параметрами защищаемых элементов в системах электроснабжения до 1 кВ.
4. Проведен факторный анализ параметров математической модели
критерия стабильности защитной характеристики ЖСП, на основе
результатов которого определен новый принцип построения конструкции
ЖСП со стабилизированной защитной характеристикой (ЖСПС),
обеспечивающий сохранение защитных функций в условиях многократных
срабатываний под действием тока короткого замыкания.
Выявлены причинно-следственные связи между элементами системы управления передачей электроэнергии, на основе которых определен принцип и разработана организационная структура управления режимами электропотребления, основанная на предложенной совокупности экономических критериев для оценки принимаемых потребителями технических и организационных решений.
Разработаны алгоритмы, использующие новые методы обработки электротехнической информации, и реализованные в виде программных
продуктов, обеспечивающих представление и использование информации для принятия организационных и технических решений по регулированию режимов электропотребления в системах электроснабжения потребителей. Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработаны программные модели процессов в электрической сети для исследования детерминированных связей между параметрами электрической сети до 1 кВ, устройств управления и защиты на основе ЖСП и параметрами защищаемых элементов системы электроснабжения до 1 кВ, которые могут служить практической основой для разработки ЖСП на стадии ОКР, проектирования и подготовки промышленного производства.
Разработаны и созданы устройства управления и защиты до 1 кВ на основе УП, ЖСП, ЖСПС, устройство защиты от однофазных коротких замыканий в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью, защищенные семнадцатью авторскими свидетельствами.
Разработаны и предложены инженерные методики проектирования и расчета основных параметров новых устройств управления и защиты до 1 кВ.
Предложены рекомендации для внесения изменений и дополнений в утвержденные «Методические указания по расчету тарифов на потребительском рынке» и «Правила применения скидок и надбавок к тарифам за потребление и генерацию реактивной энергии», обеспечивающие правомерность их применения в условиях действующего законодательства.
5. Разработаны программные продукты, обеспечивающие
обработку, анализ и использование электротехнической информации для
принятия решений по регулированию режимов электропотребления.
Созданное в результате работы устройство УП по А.с. №714537 внедрено на п.я. А-1668, г. Москва и п.я. В-28615, г. Мытва. Устройства защиты по А.с. №1192023, №951449 и №905914 на основе ЖСП и ЖСПС в макетном варианте успешно прошли лабораторные испытания и внедрены в
опытную эксплуатацию в системе электроснабжения (СЭ) до 1 кВ нескольких промышленных предприятий г. Ульяновска. Расчетный экономический эффект от внедрения одного устройства в сети с силовыми полупроводниковыми приборами зависит от номинального тока и ожидаемого тока к.з. и составляет 0,2-2,0 тыс. рублей в ценах 1991 года. Ожидаемый массовый спрос на эти устройства говорит о том, что эффект от серийного производства этих устройств может быть довольно значительным.
Содержание исследований в области разработки новых устройств защиты в ЭС напряжением до 1 кВ (УП, ЖСП, ЖСПС) с ссылками на труды автора нашло отражение в учебниках, учебных пособиях для вузов и специальной технической литературе других авторов [19,21,135]. Дальнейшие исследования в области разработки УП, ЖСП, ЖСПС и устройств на их основе следует вести в направлении проведения ОКР и подготовки промышленного производства. Это возможно при объединении усилий отраслевых НИИ, коммерческих организаций при поддержке государства.
Рекомендации автора по применению скидок и надбавок к тарифам на потребляемую электроэнергию, рекомендации по введению постоянно действующей системы дополнительного образования (повышения квалификации) по основам энергосбережения и энергетического менеджмента для руководителей энергетических служб потребителей электроэнергии, а также предложение о необходимости разработки новой структуры энергетического менеджмента в электрохозяйстве потребителя внесены в региональную Программу «Энергосбережение в Ульяновской области».
Для реализации введенных в Программу «Энергосбережение в Ульяновской области» предложений на кафедре «Электроснабжение» при УлГТУ организованы курсы повышения квалификации и введена новая дисциплина «Основы энергосбережения и энергетического менеджмента»
для студентов пятого курса. В рабочей программе дисциплины широко используются материалы исследований автора, направленных на повышение эффективности регулирования режимов электропотребления.
Разработанные автором программные продукты «Ответственный за энергохозяйство», «Оплата за электроэнергию», «Расчет экономических значений реактивной мощности и энергии» нашли спрос и реализованы на коммерческой основе на ряде предприятий. Среди них — региональное Управление «Ульяновскгосэнергонадзор», муниципальное предприятие «Ульяновская городская электросеть», ОАО Ульяновская кондитерская фабрика «Волжанка» и др. Два из названных программных продукта демонстрировались на второй и третьей Всероссийских выставках «Энергосбережение в регионах России» в Московском всероссийском выставочном центре (ВВЦ) в 2000 и 2001 году и занесены в официальный каталог экспозиций [141,142 ].
Предложенные в работе рекомендации по выбору автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) для коммерческого учета электроэнергии использованы при выполнении хоздоговорных НИР и внедрены на ОАО кондитерская фабрика «Волжанка», ОАО «Ульяновский хладокомбинат», ГУПИПК «Ульяновский дом печати». Реальный экономический эффект на этих предприятиях от внедрения НИР составил 5-8% от суммы оплаты за электроэнергию. Ответственным исполнителем этих НИР являлся автор.
Результаты, полученные в работе доложены и обсуждались на более чем двадцати международных, всесоюзных, всероссийских конференциях и семинарах в 1984-2004 г. Некоторые из них:
YI и YII сессия Всесоюзного научного семинара АН УССР «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» в г. Новочеркасске, 1984,1985 г.
Всесоюзная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения» - г. Ульяновск, 14-18 мая 1885 г.
Всесоюзная научно-техническая конференция «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий» - г. Миасс, 9-11 сентября 1987 г.
Международная научно-практическая конференция «Электрификация горных и металлургических предприятий Сибири» - Новокузнецк, 1997 г.
Всероссийская научно-техническая конференция «Электроснабжение, энергосбережение и электроремонт». Новомосковск.2000 г.
IV всероссийская конференция «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения». Нижний Новгород,2002 г.
Всероссийский научно-технический семинар «Энергосбережение в
электрохозяйстве предприятия». Ульяновск. 2004 и др.
Кроме того, результаты работы обсуждались на конференциях регионального уровня и ежегодных научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава УлГТУ в 1981-2004 г.
Работы по теме диссертации являются составной частью целевой комплексной программы на 1986-1990 г. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии и повышения ее качества в электроэнергетических системах" (Экономия электроэнергии), приказ №101 Минвуза СССР от 09.02.87, региональной научно-технической программы на 1986-1990 г. "Комплексное использование энергоресурсов Поволжья" (Энергоресурсы Поволжья), приказ №99 Минвуза РСФСР от 06.02.86, программы "Энерго - и ресурсосберегающие технологии", повышение конструкторско-технологических показателей и качества промышленной продукции народного хозяйства РФ (НКП - 2000) 1994-2000г. и др.
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 60 печатных работ, в том числе одна монография, и получено 17 авторских
свидетельств на изобретения. Результаты исследований отражены в отчетах о х.д. НИР, выполненных на кафедре «Электроснабжение» УлГТУ в 1980-2003 г.г. (гос. регистрационные номера 810109-49, 810109-46 и др.).
Аппараты управления и защиты в сети напряжением до 1 кВ с проводниками и кабелями, питающими группы электроприемников
Очевидно, что технические характеристики устройств защиты должны быть приведены в соответствие с техническими требованиями электрической сети, для которой они предназначены. В электрической сети до 1 кВ можно выделить два характерных участка с разными требованиями к техническим характеристикам устройств защиты и управления. Один из них - участок питающий группы электроприемников от шин трансформаторной подстанции до вводов к электроприемникам. В нормальном режиме передачи электрической энергии от шин силового трансформатора 6-10/0,4 кВ до вводов к электроприемникам устройства управления выполняют функции включения и отключения элементов электрической сети в соответствии с требованиями технологического процесса производства. Для всех этих устройств характерна низкая частота циклов включения и отключения. Например, на нижней ступени распределения электроэнергии выключатель осветительной сети может включаться и отключаться в среднем 1 раз в сутки. На более высоких ступенях распределения электрической энергии - распределительный пункт (шинопровод), главный распределительный щит, магистральный шинопровод, распределительный щит трансформаторной подстанции, ввод в распределительный щит трансформаторной подстанции, коммутационные операции проводятся значительно реже. Их частота определяется необходимостью вывода в капитальный, текущий и аварийный ремонт электроприемников, участка электрической сети, источника питания и т.п. К устройствам управления не предъявляется таких высоких требований в отношении механической и электрической износостойкости, какие предъявляются к аналогичным устройствам на участке сети, питающем электрооборудование электроприемников. В этом случае частота коммутационных операций (например, электродвигателя металлорежущего станка, выполняющего технологическую операцию нарезания резьбы с учетом пусков реверсов) может достигать сотен и более в смену. По сравнению с устройствами, предназначенными для управления электрооборудованием электроприемников к устройствам управления на участке электрической сети, питающей группы электроприемников, не предъявляются требования высокой степени автоматизации, за исключением нескольких случаев. Во-первых, это случай электроснабжения электроприемников первой категории, нарушение питания которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный ущерб хозяйству, связанный с повреждением оборудования, массовым браком продукции или длительным расстройством сложного технологического процесса. Во-вторых, это случаи, связанные с обслуживанием удаленных объектов при отсутствии на них обслуживающего персонала, например, включение и отключение уличного освещения на городских подстанциях. В большинстве случаев коммутационные операции могут производиться вручную посредством дежурного персонала.
Для управления процессом передачи электрической энергии до электроприемников в нормальном режиме в большинстве случаев достаточно использования простых конструкций устройств управления напряжением до 1 кВ, например рубильников с ручным управлением. Однако в любой электрической сети существует вероятность возникновения аварийных ситуаций, связанных с повреждением элементов электрической сети 46 коротких замыканий, перегрузок и т.п. В таких случаях все элементы электрической сети должны быть защищены от разрушения в результате теплового, электродинамического воздействия на них сверхтоков, обусловленных случайным возникновением аварийных режимов. В этой связи устройства управления должны быть укомплектованы средствами защиты. Такие устройства должны обеспечивать отключение и локализацию поврежденного участка сети до разрушения его элементов и широкомасштабного развития аварии. Для обеспечения бесперебойности питания электроприемников к устройствам защиты наряду с требованием защиты проводников от опасных для изоляции перегрузок предъявляются требования повышенного быстродействия, ограничения токов короткого замыкания, селективности действия и надежности. Полностью выполнить указанные требования посредством устройств, применяемых в настоящее время для защиты электрических сетей до 1 кВ, не удается. Одни из них не могут обеспечить надежную защиту от перегрузок или использование перегрузочной способности проводников при токах нормальных технологических перегрузок, другие - селективность действия, третьи не являются быстродействующими. Широкое распространение в сетях до 1 кВ получили такие устройства как плавкие предохранители. Защитная характеристика предохранителя такова, что выдержка времени срабатывания является обратно зависимой от тока как в области токов перегрузки, так и в области токов короткого замыкания. Однако по сравнению с перегрузочной характеристикой проводников и кабелей она имеет большую крутизну, нестабильна особенно в области небольших перегрузок, что вызвано неопределенностью факторов, влияющих на процесс теплообмена между плавким элементом и окружающей средой. Поэтому осуществить полную защиту проводников предохранителями возможно только тогда, когда номинальный ток плавкой вставки не превышает 80% длительно допустимого тока проводника. В случае наличия пиковых токов, вызванных, например, пусками и реверсами двигателей, работой машин контактной сварки и т.п. необходимо отстраиваться от них путем увеличения номинального тока плавкого элемента. При этом предохранитель теряет способность защищать проводник при перегрузках. Если же защита от перегрузки является обязательной, то приходится увеличивать сечение проводника до уровня, при котором его длительно допустимый ток и номинальный ток плавкой вставки будут находиться в пределах указанного соотношения. В соответствии с ПУЭ [149] к сетям, требующим защиты от перегрузки, относятся: все сети, выполненные проложенными открыто, защищенными изолированными проводами с горючей оболочкой внутри любых помещений; все осветительные сети независимо от конструкции и способа прокладки проводов и кабелей в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно- бытовых помещениях промышленных предприятий, в пожароопасных производственных помещениях, все сети для питания переносных приборов; все силовые сети в промышленных предприятиях, в жилых общественных помещениях, если по условию технологического процесса может возникнуть длительная перегрузка проводов и кабелей;
Сопоставление параметров модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии
Анализ структурной схемы управления ряда промышленных потребителей показывает, что специального работника для решения вопросов управления электропотреблением у потребителей не предусмотрено. Ответственность за это возложена на должностное лицо, выполняющее функции обеспечения производства энергоресурсами -главного энергетика. В некоторых случаях управление не может осуществляться непосредственно главным энергетиком. Управление технологическим процессом осуществляется другим административным лицом - главным технологом, который должен увязать вопросы технологического производства продукции с вопросами передачи электроэнергии. Это возможно только при тесном взаимодействии всех структурных подразделений предприятия с главным энергетиком. Механизма, определяющего постоянное, эффективное взаимодействие главного энергетика и главного технолога у потребителей нет. Организация управления производством продукции не предусматривает экономических стимулов соблюдения режимов электропотребления. Действующая система управления производством продукции не предусматривает рыночных методов регулирования режимов. Эффективность управления режимами электропотребления оставляет желать лучшего.
Организационная структура как внутреннего, так и внешнего управления нуждаются в совершенствовании. Анализ показывает: существующая структура внутреннего управления многозвенна и иерархична, что снижает ее эффективность. Структура внешнего управления не обеспечивает необходимые условия для возникновения спроса и применения в СЭ устройств управления режимами электропотребления. Эта структура не обеспечивает также условия для создания новых аппаратов управления и защиты с техническими характеристиками, обеспечивающими рациональное использования инвестиций. В ЭС напряжением до 1 кВ используются аппараты управления и защиты с техническими характеристиками, превышающими требования электрической сети или аппараты управления и защиты, технические характеристики которых накладывают дополнительные условия на выбор проводников, кабелей, номинальных параметров силовых полупроводниковых приборов и т.п.
Очевидно, что важнейшую роль в снижении энергоемкости валового национального продукта играют потребители электрической энергии, которые получают ее от энергоснабжающей организации в точке раздела балансовой принадлежности сети. На стадии передачи и потребления электроэнергии, ограниченной территорией потребителя, имеются большие резервы для снижения энергоемкости валового национального продукта за счет повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии.
Цель работы. Создание и реализация теоретических, методических, информационно-технологических и технических основ повышения эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в системах электроснабжения потребителей. Реализация сформулированной цели требует решения теоретических и прикладных задач. Основные из них следующие: 1. Разработка математической модели эффективности функционирования устройств управления передачей электроэнергии в виде целевой функции интегральных дисконтированных затрат, связанных с применением и эксплуатацией этих устройств, анализ и оценка значений параметров целевой функции. 2. Анализ явлений, оказывающих влияние на параметры разработанной модели, и обоснование совокупности критериев оценки принимаемых технических и организационных решений, направленных на эффективное выполнение техническими устройствами управления заданных функций, а также поиск путей реализации этих решений. 3. Разработка по обоснованным критериям новых устройств управления и защиты до 1 кВ на основе управляемых предохранителей (УП), жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП), устройства защиты от однофазных коротких замыканий в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью. 4. Разработка научных основ создания ЖСП путем анализа процессов в цепи при их использовании в составе устройств защиты, выявления детерминированных связей между параметрами этих устройств, параметрами электрической сети и параметрами защищаемых элементов. 5. Анализ и решение задач практической реализации новых устройств управления и защиты на основе УП, ЖСП в электрических сетях до 1 кВ, их исследования и разработка основ методики их проектирования. 6. Разработка новой организационной структуры управления, основанной на предложенной совокупности экономических критериев оценки принимаемых решений, реализующих принцип экономической заинтересованности потребителей в улучшении показателей режимов электропотребления. 7. Разработка алгоритмов и программных продуктов, использующих новые методы обработки электротехнической информации для принятия решений, а также совершенствование информационно-технологического и учебно-методического обеспечения организационной структуры управления режимами электропотребления.
Математическая модель плавкого предохранителя в установившемся тепловом режиме
В данном случае полное время отключения Т принято равным 10 мс, что соответствует половине периода при частоте 50 Гц. Следует отметить, что линеаризация зависимости тока от времени приводит к несколько завышенному расчётному значению W, и W . Поэтому эти значения с уверенностью можно считать максимально возможными. Для нахождения W оценки быстродействия необходимо знать сечения сравниваемых плавких вставок, выполненных из различных материалов и имеющих один и тот же номинальный ток.
Определение сечения плавкой вставки аналитическим путём требует решения уравнения теплопроводности с учётом отдачи тепловой энергии в окружающую среду. Решение таких уравнений связано с необходимостью использовать коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи и др., которые зависят от температуры состояния поверхности и т.д. Неопределенность этих коэффициентов и сложные краевые условия вынуждают прибегать к различного рода допущениям. В итоге даже при рассмотрении стационарного теплового процесса результат расчета оказывается далеким от действительного.
Сечение плавких вставок на различные номинальные токи определяют экспериментальным путем. Для макетного образца ЖСП на номинальный ток 63 А, диаметр суженной части плавкой вставки равен 0,7 мм (см. рис.3.19),что соответствует сечению 0,185 мм. В этом образце в качестве жидкого металла использована ртуть, имеющая довольно значительное удельное сопротивление. При использовании металлов с меньшим удельным сопротивлением, например, натрия или калия появляется возможность уменьшить сечение суженной и расширенной части диэлектрического канала при этом же номинальном токе. Очевидно, что при этом мощность, рассеиваемая ЖСП при протекании номинального тока должна быть меньше или равной мощности образца ЖСП с ртутной плавкой вставкой. Следовательно, равными должны быть и сопротивления плавкой вставки. Сопротивление вставки пропорционально её сечению и должно быть уменьшено на величину соотношения удельного сопротивления ртути и применяемого жидкого металла (см. табл. 3.2).
Значения WQ для ЖСП на номинальный ток 63А при использовании плавких вставок из различных жидких металлов даны на рис. 3.24. Из рисунка следует, что быстродействие ЖСП с плавкими вставками из щелочных металлов выше, чем из ртути. Сравнение этих характеристик с характеристиками, изображёнными на рис. 1.6 показывают, что ЖСП из любого жидкого металла обладает большим быстродействием, чем предохранители с серебряной плавкой вставкой на такой же номинальный ток, при этом появляется возможность обеспечить защиту полупроводниковых приборов без завышения их предельного тока.
Коммутационные испытания макетного образца ЖСП с плавкой вставкой из ртути проводились в лаборатории коммутационных испытаний ОАО «Контактор» в контуре с током 2,7 кА (ударное значение) и напряжением 450 В. При испытаниях через ЖСП пропускался импульс тока в течение одного полупериода. Таким образом моделировалась работа ЖСПс дополнительным коммутационным аппаратом. Было произведено пять коммутаций тока. Результаты обработки осциллограмм отключения приведены на рис. 3.25. Из рисунка видно, что при первой коммутации значение интеграла отключения ЖСП (зависимость 1) не превышает расчетного значения (см. рис 3.24).
При последующих коммутациях интеграл отключения возрастает. Становится больше допустимого интеграла силовых полупроводниковых приборов, выбранных по расчетному току нагрузки в соответствии с номинальным током ЖСП (зависимость 2). Затем достигает и превышает значение интеграла отключения обычного быстродействующего предохранителя (зависимость 3). Это связано с увеличением диаметра суженной части канала диэлектрической втулки в результате дуговой эрозии стенок диэлектрического канала. Эрозия вызывает увеличение диаметра плавкой вставки от цикла к циклу. Очевидно, что при этом увеличивается пограничный ток и время срабатывания ЖСП при коротких замыканиях.
Данные зарубежных авторов, а также наши собственные исследования макетных образцов ЖСП говорят о том, что защитная характеристика ЖСП носит крутопадающий характер. Её трудно согласовать с перегрузочными характеристиками проводов и кабелей [22,25,123]. Удовлетворительное согласование получается с перегрузочной характеристикой силовых полупроводниковых приборов (рис.3.26). Однако, как отмечалось выше, защитная характеристика ЖСП крайне нестабильна. При использовании ЖСП для защиты полупроводниковых приборов согласование защитной характеристики ЖСП с перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора имеет место только при первом или после нескольких циклов отключения тока короткого замыкания. При последующих циклах диаметр диэлектрического канала увеличивается и защита полупроводниковых приборов может не обеспечиться. По этой причине одно из основных преимуществ ЖСП - многократность использования утрачивает свое значение. Возникает проблема стабилизации защитной характеристики ЖСП.
Исследования зарубежных авторов говорят о том, что повышение стабильности защитной характеристики связано с применением дорогих и дефицитных материалов. Например, в [199] показано, что по сравнению с втулками из керамики на различной основе более стойкими к дуговой эрозии оказались втулки, выполненные из сапфира. При испытании в качестве жидкого металла использовалась ртуть.
По нашему мнению, полностью устранить эрозию невозможно в связи с значительной разницей между температурой плавления известных диэлектрических материалов и температурой плазмы электрической дуги. Разработка новых материалов требует специальных исследований, значительных затрат средств и времени, к тому же вряд ли может дать желаемый результат. Представляет интерес решить проблему стабилизации защитной характеристики при использовании освоенных промышленностью диэлектрических материалов.
Анализ работы жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей при коротких замыканиях
Очевидно, что короткое замыкание, в том числе и однофазное, сопровождается скачкообразным изменением тока, который не изменяется до устранения аварии. Поэтому скачкообразное изменение тока нулевой последовательности, величина и длительность которого больше величины и длительности скачкообразных изменений тока нулевой последовательности, обусловленных включением и отключением самого мощного однофазного электроприемника, может служить признаком повреждения. Предложенное устройство удовлетворяет требованию селективности. Селективность действия вышеустановленных и нижеустановленных защит может быть обеспечена за счет выбора уставок по времени длительности опорного импульса U3.
Следует отметить, что скачкообразные изменения тока нулевой последовательности могут иметь место не только при однофазных замыканиях, включениях и отключениях однофазных электроприемников. Скачки тока могут появляться при оперативных переключениях в сети, питающей группы электроприемников, в числе которых имеются однофазные. При отключении группы электроприемников, присоединенных, например, к силовому пункту в результате действия других защит, при обрыве фазного или нулевого провода и т.п. Защита в этих случаях будет работать ложно. Исключить ложное срабатывание позволяет блок запрета 8, который блокирует сигнал на исполнительный орган в случаях, если они не связаны с однофазным замыканием. Одним из признаков, позволяющим исключить ложное срабатывание защиты может служить наличие идентичного току нулевой последовательности броска тока в одной из фаз. При этом необходимо снять запрет с блока 9. Выводы:
Эффективность функционирования устройств управления передачей электроэнергии тесно связана с необходимостью разработки новых аппаратов управления и защиты напряжением до 1 кВ: УП, ЖСП, УЗОЗ в соответствии с обоснованной совокупностью критериев оценки принимаемых решений. 2. Техническая реализация устройств защиты на основе УП не представляет принципиальных трудностей, УП могут изготавливаться на базе серийно выпускаемых плавких предохранителей. Их разработка и применение обеспечивают снижение инвестиционной составляющей затрат в ЭС, что сокращает общие затраты на производство и передачу 1 кВт-ч электроэнергии на 1,18% (см. 2.3). 3. Устройство защиты от однофазных коротких замыканий в сети с заземленной нейтралью может быть реализовано на основе зарубежной и отечественной полупроводниковой и микроэлектронной элементной базы, широко представленной на российском рынке. Техническая реализация устройства не связана с информационными и технологическими проблемами. Разработки и применение УЗОЗ обеспечивает снижение затрат на производство и передачу 1 кВт-ч электроэнергии на 1,25% (см.2.3). 4. Исследования, связанные с созданием ЖСП - новое направление в электроаппаратостроении. Имеющихся в зарубежной и отечественной литературе сведений недостаточно, чтобы получить ясное представление о ЖСП как аппарате защиты. В нашей стране ЖСП не производятся, что связано с связано с отсутствием научных основ их создания. 5. Основными задачами разработки конструкции ЖСП являются выбор материалов диэлектрической втулки и жидкого металла, выбор материалов контактных выводов. Решение этих задач позволило перейти к созданию ЖСП с требуемыми параметрами. 6. В системах электроснабжения напряжением 380/220, 660/380 В применение ЖСП с управляемым временем восстановления проблематично. Проще использовать ЖСП с неуправляемым временем самовосстановления в комплекте с дополнительным коммутационным аппаратом. 7. Быстродействие ЖСП выше чем обычных быстродействующих предохранителей. Применение ЖСП вместо обычных предохранителей для защиты полупроводниковых аппаратов управления может привести к снижению предельного тока силовых полупроводниковых приборов и отказу от использования реакторов, выполняющих функции ограничения токов короткого замыкания. 8. Для защиты полупроводниковых аппаратов управления предпочтительнее разрабатывать ЖСП с плавкими вставками из металлов с низким значением удельного сопротивления и высокой теплопроводностью, например, щелочных. Ртуть обеспечивает меньшее быстродействие, чем натрий и калий. 9. Защитная характеристика ЖСП нестабильна, что обусловлено эрозией стенок канала диэлектрической втулки ЖСП под действием электрической дуги. Такие ЖСП не могут применяться в качестве элементов устройств защиты. 10. Довольно эффективным средством стабилизации защитной характеристики ЖСП является шунтирование его низкоомным резистором. Однако это ухудшает токоограничивающие свойства ЖСП и его быстродействие. Необходим поиск дополнительных средств стабилизации защитной характеристики ЖСП. 11. Влияние на стабильность защитной характеристики теплофизических констант материалов конструкции, а также размеров ее элементов целесообразно определить с помощью математической теории планирования эксперимента, используя имитационные эксперименты на ЭВМ. 12. Проведенные исследования показали, что проблема стабилизации защитной характеристики ЖСП решается, если в суженной части канала диэлектрической втулки расположить тугоплавкий электрод. Коммутационные испытания макетных образцов ЖСП подтвердили это. 13. Разработка научных основ создания ЖСП, а также создание принципиально нового типа ЖСП со стабилизированной защитной характеристикой - ЖСПС позволяет осуществить их производство и применение в ЭС. Это обеспечивает сокращение затрат на производство и передачу 1 кВт-ч электроэнергии на 1,8%.
