На правах рукописи
05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНО-ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Шагимарданов Дамир Экрэмович
Кострома - 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Костромская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Попов Николай Малафеевич
Официальные оппоненты:
Лещинская Тамара Борисовна, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», заведующая кафедрой «Электроснабжение и электрические машины»
Виноградов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение»
Ведущая организация
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославская сельскохозяйственная академия»
Защита состоится «___» __________ 2014 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».
Автореферат разослан «___» __________ 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Некрасов Алексей Иосифович
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы. В настоящее время из 2,35 млн. км воздушных и кабельных линий 0,38-220 кВ на долю линий напряжением 0,38 кВ приходится 840 тыс.км или 35,7 %. Низковольтные сети характеризуются большими потерями напряжения, мощности и энергии; являются наиболее металлоемкими в расчете на единицу передаваемой мощности по сравнению с сетями среднего и высокого напряжений (в сетях 380 В в 2-3 раза больше, чем в сетях 10 кВ). Для снижения расхода цветного металла, потерь напряжения и электроэнергии Будзко И.А., Захариным А.Г. разработана смешанная трехфазно-однофазная система распределения электроэнергии. По состоянию на 2013 год к сетям 6-10 кВ филиала ОАО «МРСК Центра» - «Костромаэнерго» присоединены 254 однофазных трансформатора, из которых 125 трансформаторов выработали нормативный ресурс. В будущем число однофазных трансформаторов и однофазных линий 220 В в сельской местности, выработавших свой ресурс, будет увеличиваться и потребуется реконструировать существующие и построить новые однофазные сети, отвечающие современным требованиям надежности, безопасности и экономичности.
В методике расчета рабочих токов и напряжений в трехфазно-однофазной сети с использованием метода симметричных составляющих, разработанной Будзко И.А., введены ряд допущений и упрощений, приводящих к приближенным результатам. По итогам исследований Чернина А.Б., Лосева С.Б. расчет аварийных режимов работы сетей с большим числом несимметрий методом симметричных составляющих встречает значительные трудности.
До сих пор не разработаны средства и устройства, решающие проблему быстрого и надежного отключения линии при обрывах проводов, замыканиях провода на землю и электрически удаленных коротких замыканий в сети низкого напряжения.
С введением в действие новых требований нормативных документов устарела методика механического расчета линий электропередачи 220 В с изолированными проводами. В литературных источниках отсутствуют массо-габаритные характеристики перспективных изолированных проводов, предназначенных для электроснабжения однофазных потребителей.
Целью диссертационной работы является развитие метода фазных координат для расчета режимов трехфазно-однофазных сельских сетей, а также разработка средства повышения электрической безопасности однофазных сетей 220 В и методики механического расчета воздушных линий с изолированными проводами (ВЛИ).
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Создать новую методику расчета трехфазно-однофазной сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов, используя метод фазных координат.
2. Разработать устройство защиты линии (УЗЛ) 220 В, реагирующее на все аварийные режимы.
3. Смоделировать в фазных координатах новое УЗЛ 220 В и разработать методику его расчета.
4. Разработать методику механического расчета ВЛИ для электроснабжения однофазных потребителей.
5. Оценить экономический эффект от применения однофазных сетей вместо трехфазных и от внедрения разработанного УЗЛ.
Объектом исследования является трехфазно-однофазная сельская электрическая сеть напряжением 10…0,22 кВ и режимы ее работы.
Предмет исследования - модели, методы расчетов параметров трехфазно-однофазной электрической сети 10…0,22 кВ и безопасная эксплуатация однофазной электрической сети 220 В.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического моделирования электрической сети 10…0,22 кВ в фазных координатах и в координатах симметричных составляющих, законы и приемы алгебры матриц применительно к электрическим сетям. Был осуществлен сбор и обработка действующих нормативных документов, относящихся к обустройству и механическому расчету ВЛИ.
Научная новизна работы.
1. Создана методика расчета трехфазно-однофазных сельских сетей в фазных координатах, позволяющая рассчитывать рабочие и аварийные режимы трехфазно-однофазных сетей с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты по сравнению с известными методиками.
2. Разработано устройство защиты однофазной линии 220 В, реагирующее на все аварийные режимы. Оригинальность схемы подтверждена патентом на изобретение № 2481686.
3. Разработана методика механического расчета существующих и перспективных ВЛИ 220 В для электроснабжения однофазных потребителей в сельской местности.
Теоретическая ценность.
Предлагаемая методика расчета трехфазно-однофазных сетей является развитием метода фазных координат и позволяет рассчитывать режимы сетей с неограниченным числом однофазных нагрузок. Разработанный принцип действия и алгоритм расчета параметров нового УЗЛ обеспечивают отключение всех видов повреждений на однофазных линиях. Перспективность развития однофазных сетей доказана механическим расчетом и экономическим обоснованием.
Практическая ценность.
Методика расчета трехфазно-однофазных сетей используется в производственном процессе ОАО «Электроцентромонтаж», что подтверждено актом внедрения №1-219/955 от 24.12.2013 г.
Методика механического расчета однофазных линий применяется в учебном процессе на кафедре электроснабжения Костромской ГСХА.
Строительство однофазного линейного ответвления 10 кВ протяженностью 100 м с однофазным трансформатором ОМП-10 10/0,23 кВ и ВЛИ длиной 25 м для электроснабжения группы однофазных сельских потребителей мощностью 10 кВ•А позволит получить чистый дисконтированный доход (ЧДД) в течение 30 лет в размере 76 696 рублей по сравнению с трехфазной сетью.
Оборудование однофазной сети новым УЗЛ повысит уровень защиты от коротких замыканий (КЗ) между проводами, обрывов проводов и замыканий провода на землю. ЧДД от применения УЗЛ на линии протяженностью 500 м в течение 5 лет составит 6 247 рублей.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
1. Методика расчета режимов трехфазно-однофазных сетей 10…0,22 кВ в фазных координатах, позволяющая рассчитывать сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты. В новой методике не требуется вводить несуществующие напряжения в местах несимметрии. Расчет рабочих и аварийных режимов разветвленной неоднородной сети с несимметричными нагрузками производится по одной схеме замещения.
2. Устройство защиты линии, реагирующее на все виды повреждений однофазной линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 220 В и повышающее электробезопасность эксплуатации однофазных сетей.
3. Методика расчета параметров УЗЛ, по которой определяются его наиболее выгодные характеристики при реализации, и моделирование в фазных координатах режимов работы УЗЛ.
4. Методика механического расчета однофазных ВЛИ, учитывающая новые требования нормативных документов и необходимость применения широкой номенклатуры самонесущих изолированных проводов (СИП) при строительстве однофазных линий, по которой определяют допустимые пролеты и осуществляют обоснованный выбор опор.
Достоверность исследований подтверждается адекватностью результатов расчетов электрических сетей методами симметричных составляющих и фазных координат, совпадением результатов, полученных теоретическим и экспериментальным исследованиями.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2010-2011 годах, ФГБОУ ВПО Саратовского ГАУ в 2011 году, ГНУ ВИЭСХ в 2012-2013 годах.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Ее содержание изложено на 139 страницах, иллюстрировано 34 рисунками, включает 47 таблиц, список литературы из 99 наименований.
2. Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее разработанности, определены цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, теоретическая и практическая значимость, примененные методы, приведены основные положения, выносимые на защиту, результаты апробации разработанных средств.
В первой главе "Анализ трехфазно-однофазных сетей в сельской местности" указано, что однофазные нагрузки ухудшают качество ЭЭ; описано, каким образом в настоящее время производится учет однофазных трансформаторов при расчете токов и напряжений.
Промышленностью выпускаются однофазные столбовые трансформаторные подстанции мощностью до 50 кВ•А. Трансформаторов такой мощности достаточно для электроснабжения маломощных потребителей, объектов сельскохозяйственного производства, общественных учреждений и потребителей коммунально-бытового сектора.
Сельская сеть низкого напряжения может быть выполнена в четырех вариантах в соответствии с рисунком 1 (без учета типов заземления сети).
Рисунок 1 - Варианты исполнения сети низкого напряжения
С помощью однофазных трансформаторов можно осуществить электроснабжение как однофазных, так и трехфазных электроприемников (ЭП). Трехфазные ЭП подключаются либо к двум однофазным трансформаторам как показано в варианте №4 рисунка 1, либо через преобразователь числа фаз (электромашинный, статический или полупроводниковый).
Подключение однофазных нагрузок к линии 10 кВ приводит к изменению величины линейных напряжений, оцениваемому коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности .
При наличии напряжения обратной последовательности нарушаются оптимальные условия работы установленного электрооборудования. Токи обратной последовательности вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вращения роторов асинхронных двигателей и производительность приводимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увеличение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности, что приводит к снижению напряжения. Воздействие описанных негативных явлений приводит к сокращению сроков службы ЭО.
В связи с введенными ограничениями на несимметрию напряжений определена зависимость допустимого сопротивления питающей линии в зависимости от мощности однофазной нагрузки и от мощности двухфазной нагрузки. Доказано, что в протяженных сетях несимметрия напряжений может выйти за нормируемые значения: при однофазной нагрузке 100 кВ•А допустимая длина линии, выполненной проводом АС-70/11, составляет не более 39,6 км; при двухфазной нагрузке кВ•А с и кВ•А с длина такой же линии не должна превышать 44,2 км.
Проблемами электроснабжения однофазных потребителей сельской местности занимались И.А. Будзко, Л.Е. Эбин, Н.М. Зуль, Т.Б. Лещинская, Н.Н. Сырых, А.Е. Мурадян, П.В. Куц, Н.Ф. Бахирев; развитием методов расчета несимметричных сетей занимались А.Б. Чернин, С.Б. Лосев, Н.А. Мельников, В.А. Солдатов, Н.М. Попов. По итогам анализа результатов исследований указанных ученых выявлено, что расчеты рабочих и аварийных режимов трехфазно-однофазных сетей в координатах симметричных составляющих становятся громоздкими, в том числе и потому, что требуют учета сложных связей между схемами симметричных составляющих. Расчеты в фазных координатах упрощаются, но не разработаны модели 2К-полюсников однофазных трансформаторов, однофазных линий, однофазных нагрузок, а также методика совместного расчета трехфазных сетей с однофазными.