Актуальность темы. Создание и эксплуатация электрических сетей (ЭС) в современных условиях является важной научно-технической проблемой и требует решения большого числа разнообразных задач проектирования и диспетчерского управления режимами.
Важное место среди них занимают научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности таких специфичных электро-установок, как двухцепные воздушные линии (ДВЛ) электропередачи.
В современных условиях при растущем повышении требований к точности моделирования стационарных и переходных режимов работы ЭС, в том числе содержащих ДВЛ, определяет необходимость научных исследований, подробного изучения и практических рекомендаций по учету влияний характерной несимметрии этих электроустановок. Наиболее существенно в установившихся режимах несимметрия ДВЛ проявляется при раздельной работе цепей ДВЛ, когда они питаются от различных источников и доставляют электроэнергию различным потребителям, особенно при противоположных направлениях потоков мощности по цепям.
Не менее важен учет взаимной связи между цепями при управлении статическими режимами и анализе потерь электроэнергии с точки зрения энергосбережения и энергоэффективности и организации эксплуатации, а также анализе электромагнитной совместимости(ЭМС)и надежности ДВЛ в процессах, связанных с атмосферными и внутренними перенапряжениями.
Анализ происхождения, распространения и последствий воздействий пере-напряжений - это ключевые проблемы ЭМС ответственных ДВЛ, которые требу-ют тщательного физического и технико-экономического анализа. Он основан на определении характеристик работоспособности и надёжности ДВЛ в условиях разнообразных электромагнитных процессов и воздействий. При этом используются государственные стандарты, нормативные документы, результаты экспериментальных исследований, математического и, прежде всего компьютерного моделирования, данные эксплуатации, а также результаты прогнозирования названных характеристик для вновь создаваемых и реконструируемых объектов.
Совершенствование методов анализа установившихся и переходных режимов ДВЛ с учетом их физических особенностей (в частности, реальной несимметрии) диктуются необходимостью принятия обоснованных решений при проектировании, модернизации, стратегии и тактики капитальных ремонтах и, наконец, при выводе из эксплуатации. Это определяет технические и схемные мероприятия, позволяющие снизить уровни эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), опасных с точки зрения нарушения ЭМС и, соответственно, повысить надёжность работы ДВЛ.
Сказанное выше определяет актуальность темы и проблемы диссертации, а также основные направления практического применения её результатов.
Цель работы и задачи исследований -развитие методологии решения комплекса научных и технических проблем в области теории и практики использования двухцепных воздушных линий электропередачи в электрических системах. При этом направление исследования определяется как устранение имеющихся в настоящее время недостатков в решении задач анализа, планирования режимов и снижение аварийности ДВЛ.
Научные задачи:
1. Обоснование и разработка уточненных математических моделей ДВЛ, учитывающих несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей линии.
2. Развитие и разработка многопроводной схемы замещения для анализа установившихся режимов ДВЛ.
3. Разработка уточненных математических моделей и определение начальных условий при внешних и внутренних перенапряжениях.
4. Разработка и применение нетрадиционных безтросовых схемгрозозащиты ДВЛ 35-220 кВ с использованием подвесных ОПН.
5. Математическое моделирование опор ДВЛ, устройств грозозащиты и комплексов «провод - подвесной ОПН - опора», для оценки показателей надежности ДВЛ.
6. Анализ влияния особенностей конструкции ДВЛ на характер и величины внутренних перенапряжений.
Практические задачи:
1. Разработка модели и программы расчета установившихся режимов ДВЛ ЭС, учитывающей взаимное влияние цепей друг на друга.
2. Определение статистических характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ и разработка рекомендаций для их уменьшения.
3. Усовершенствование схем защиты от перенапряжений ДВЛ 35-220 кВ.
Научная новизна работы заключается в разработке методологии решения задач повышения надежности и энергоэффективности ЭС, возникающих в процессе эксплуатации и проектирования. К числу результатов, обладающих новизной, относятся:
• Уточненные математические модели ДВЛ, учитывающие несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей линии.
• Математические модели стационарных и переходных процессов с учетом конкретных видов исполнения ДВЛ.
• Моделирование специфических электромагнитных процессов, возникающих при ударах молнии в систему провода - тросы ДВЛ.
• Моделирование и исследование комплекса мер защиты электрических сетей высокого напряжения с ДВЛ от перенапряжений с помощью подвесных ОПН, а также выработка рекомендаций по их применению и обеспечению надёжной эксплуатации.
Практическая ценность работы.
Разработаны алгоритм и компьютерная модель расчета установившихся и переходных режимов работы ДВЛ ЭС, учитывающая несимметрию и электро-магнитное взаимовлияние цепей друг на друга и земли.
• Разработка подхода к приближенному эквивалентированию ДВЛ представ-ленной многопроводной схемой замещения, вместо традиционной однолинейной схемы замещения.
• Разработка рекомендаций по выбору установки подвесных ОПН на опорах линии для определения характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ.
Основные положения, выносимые на защиту.
• Математические модели и методики расчета установившихся и переходных режимов ДВЛ.
• Методика преобразования многопроводной схемы замещения к эквивалент-ной однолинейной схеме ДВЛ.
• Математическая модель процессов воздействия грозовых и внутренних перенапряжений и защитные средства от них на ДВЛ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов исследований базируется на использовании фундаментальных основ теоретической электротехники, а также использовании теории установившихся и переходных процессов в электрических системах. Ряд выводов основан на корректном применении математических методов и подтверждается адекватным поведением моделей, а также удовлетворительным совпадением расчетных результатов с полученными на реальных объектах.
Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы СамГТУ “Энергосбережение и управление энергоэффективностью” на 2005-2010 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы “Энергосбережение” Минобразования России до 2010 г., а также в рамках тематических планов СамГТУна 2011 и 2012 годы: работа на тему «Разработка математической модели трёхфазных несимметричных электро-технических систем высокого напряжения» (рег. № 01201157430 от 22.04.2011) и «Разработка информационно-аналитической модели для оптимизации режимов работы систем управления уровнем потерь и организации энергосберегающих технологий в электротехнических комплексах и системах электроснабжения»(рег. № 7.797.2011 от 2012 года).
Объектом исследования является высоковольтная двухцепная воздушная линия электропередачи.
Основные методы научных исследований. При проведении данной работы использованы методы математического анализа, физического математического моделирования, теории матриц и методы решения уравнений математической физики, теория искусственных нейронных сетей, теории вероятности и математической статистики. Теоретические исследования послужили основой для разработки математических моделей и инженерных методик. Экспериментальные исследования проводились на реальных электроэнергетических объектах. Оценка корректности моделирования производилась путем сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации ЭС.
Реализация результатов работы. Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов, выполненных за последние 10 лет под руководством и при непосредственном участии автора на энергетических
предприятиях. Результаты внедрены в практику проектирования и эксплуатации в филиале ОАО «СО ЕЭС» - «ОДУ Средней Волги» (г. Самара), ЗАО «РОСПРОЕКТ» (г. Санкт-Петербург). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Электрические станции» и «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета, а также кафедр «Электрические сети и электротехника» и «Электроэнергетические системы» Томского политехнического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международных научн.-техн. конференциях «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ(ТУ), (г. Москва, 1999, 2000, 2003, 2007, 2008, 2010, 2011 гг.); XXIII сессии Всероссийского научного семинара «Электроснабжение промышленных предприятий», (г. Новочеркасск, 2002 г.); международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2003 г.), на 13 межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2003 г.), на III международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (г. Екатеринбург, 2008 г.); на международной научно-практической конференции «Наука и производство 2009» (г. Брянск, 2009 г.);на международной научно-технической конференции «Экономика и управление: теория, методология, практика» (г. Самара, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.); на 4 и 5 открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (г. Казань, 2009, 2010 гг.); на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (г. Новосибирск, 2010 г.); на международной конференции «Проблемы повышения эффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (г. Самара, 2010 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2010 г.); на II международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2011 г.);на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), на XIII международной конференции по электрическим машинам, устройствам и электрическим сетям (г. Варна, Болгария, 2011 г.), на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012 г.).
Кроме этого, материалы диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедрах «Автоматизированные электроэнергетические системы» и «Электрические станции» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет за период с 2005 по 2012 годы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работы из которых: одна монография в центральном издательстве, 13 в реферируемых ВАК изданиях, 30 -в трудах региональных, всероссийских и международных научно-технических конференций и семинаров.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 279 страниц. Библиография включает 272 наименования.
1. Разработана математическая модель двухцепной воздушной линии электропередачи, которая учитывает электромагнитные взаимовлияния цепей и грозозащитного троса. Данная модель реализована на основе многопроводной схемы замещения.
2. Разработаны методики расчета установившихся режимов электрических систем с двухцепными линиями. В основу методик положена математическая модель ДВЛ, в многопроводной схеме замещения которой продольная часть представлена в 2 или У - форме. Даны рекомендации по использованию разработанных методик.
3. Разработаны подходы к эквивалентному переходу от многопроводной схемы замещения ДВЛ к соответствующей однолинейной схеме.
4. Предложена методика определения наведенных напряжений на ремонтируемых линиях с учетом различных вариантов заземления фазных проводов на рабочем месте.
5. Разработаны схемы грозозащиты ДВЛ 35-220 кВ в условиях, когда традиционные меры молниезащиты (диктуемые ПУЭ) не эффективны. В этих случаях должны применяться альтернативные методы молниезащиты: установка ОПН на опорах ВЛ, монтаж дополнительного молниезащитного троса, иногда безтросовая молниезащита линий.
6. Для определения частоты установки ОПН на ВЛ осуществлён переход от усреднённого количества грозовых отключений к неоднородному распределению отключений по длине линии. При установке ОПН, наибольшее снижение отключений происходит на опоре с установленным аппаратом. Степень снижения Коткл на соседних опорах зависит от многих параметров линии: сопротивлений заземлений опор, длин пролётов и т.д., но в общем случае «зона защиты» ограничителя невысока и не превышает 2 опор. При эксплуатации ВЛ без тросов на вершинах опор, ограничители должны быть установлены на верхних фазах каждой опоры.
7. Определены условия при коммутациях одной фаз. Для двухцепных линий 35 кВ коммутационные перенапряжения не актуальны и поэтому влиянием одной цепи на другую не имеют значения. В сетях 110^330 кВ для расчёта коммутационных перенапряжений на одной из цепей двухцепной линии влиянием другой цепи пренебречь нельзя, иначе это может привести к значительным перенапряжениям. На двухцепных линиях наибольшие напряжения могут иметь место при АПВ и при отсутствии на них индуктивных элементов в виде электромагнитных трансформаторов напряжения, шунтирующих реакторов и силовых трансформаторов, независимо от схем их подключения к ДВЛ (блочная или полублочная, а также схема с глухим подключением силовых трансформаторов к ДВЛ).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
