Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність

Порівняльний аналіз параметрів тролейних шинопроводів різної геометричної форми за умови наявності вищих гармонік струму

Юлія Сергіївна Безверхня — 2022-07-02

Сучасні системи цехового електропостачання можуть мати значну довжину. Тому їх параметри та електричні характеристики істотно впливають на якість електроенергії, режими роботи електроприймачів та енергоефективність технологічних процесів. Наявні в інженерній практиці методики розрахунку параметрів та характеристик шинопроводів ґрунтуються на методах схемного моделювання. Параметри схем зазвичай визначаються основі узагальнених рівнянь. Ці рівняння отримані внаслідок низки припущень, що обмежує область їх використання. Альтернативою методикам, заснованим на емпіричних залежностях, може бути застосування методів розрахунку електричних параметрів і характеристик на основі польового моделювання. Таким чином у роботі запропонована математична двовимірна польова модель електромагнітних процесів у частотній постановці задачі, яка дозволяє з високою точністю та ефективністю чисельної реалізації проводити декомпозицію електромагнітних процесів в активних елементах тролейного шинопровода і для кожної відповідної амплітуди і частоти k-ї гармоніки струму визначати електромагнітні параметри тролейного шинопровода з урахуванням їх конструктивних особливостей, нелінійності магнітних та електрофізичних властивостей матеріалів, скін-ефекту, ефекту близькості, поверхневих та зовнішніх поверхневих ефектів. Виконано загальний аналіз активного та індуктивного опорів фазних тролей шинопровода залежно від їх форми, матеріалу та спектру гармонік струму. Наведено рівень несиметрії параметрів шинопроводів, що викликано ефектами близькості, поверхневими ефектами, скін-ефектами та іншими крайовими ефектами. Встановлено, що при наявності вищих гармонік струму, параметри (активний і реактивний опори) тролеїв шинопровода не залежать від амплітуди k-х гармонік струму, а залежать лише від їх частоти. Рівень несиметрії падіння напруги для всіх форм фазних тролеїв шинопровода викликано несиметрією їх параметрів. Серед досліджених L-, W-, I-, U- та X-подібних форм тролеїв шинопровода встановлено, що найбільш оптимальною формою сталевих і мідних тролеїв шинопровода є куткова форма тролеїв (L-подібна форма), при якій забезпечується найменше прирощення активного та реактивного опорів тролеїв шинопровода, викликаного дією вищих гармонік струму, а також найменший рівень їх несиметрії між фазами тролеїв шинопровода.

Дослідження перспектив застосування соціо-демографічних даних для аналізу потенціалу керування попитом

Дмитро Олексійович Данильченко — 2022-07-02

На сьогоднішній день найбільш розвинені країни стрімко збільшують обсяги виробництва електричної енергії на основі відновлюваних джерел енергії, що в першу чергу включає в себе збільшення частки генерації на сонячних та вітрових електричних станціях. Збільшення частки їх генерації призводить до виникнення проблем з підтримкою балансу генерації та навантаження. Причиною цього є стохастичний характер генерації сонячних та вітрових електричних станцій. Існує значна кількість можливостей для компенсацій цієї проблеми: підтримка балансу за рахунок існуючих традиційних електричних станцій з високою швидкістю зміни потужності, встановлення накопичувачів енергії в місцях генерації, відключення частини потужності генерації на відновлюваних джерелах енергії, продаж або купівля енергії в сусідніх країнах, використання керування попитом. Ця стаття присвячена керуванню попитом, а саме використання концепції прос’юмерів з цією метою. Прос’юмери, як учасники процесів в електроенергетичних системах, здатні функціонувати і в сучасних традиційних електричних системах за умови отримання додаткових можливостей по здійсненню ринкових операцій, однак переваги Smart Grid в значній мірі підвищують їх ефективність. Був розглянутий потенціал задіяння прос’юмерів з метою вирівнювання графіків навантаження та підтримки балансу активної потужності в енергосистемі. Задля цього було розглянуто методи та інструментарій для аналізу режимів роботи звичайних споживачів та прос’юмерів. Однак отримати реальні графіки споживання житлового району або навіть окремого будинку є складним завданням, що потребує значної кількості погоджень та одночасно дає інформацію тільки про окремі об’єкти. Саме тому аналіз режимів роботи прос’юмерів базується на дослідженні графіків навантаження звичайних споживачів на основі програмного забезпечення для генерації графіків навантаження з урахуванням соціально-демографічних характеристик домогосподарств та міжнародного досвіду в керуванні попитом.

Моделювання зміни параметрів внутрішньої ізоляції високовольтних вводів для аналізу достовірності контролю під робочою напругою

Олександра Анатоліївна Загайнова — 2022-07-02

У статті розглянуто моделювання зміни параметрів внутрішньої ізоляції високовольтних вводів для аналізу достовірності контролю під робочою напругою. Для моделювання параметрів внутрішньої ізоляції високовольтного вводу були використані дані реально встановленого вводу на підстанції. Для оцінки зв’язку діелектричних втрат ізоляції конденсаторного типу вводу з його станом використана схема заміщення, в якій активна потужність дорівнює потужності, що розсіюється в ізоляції вводу, а струм зрушений щодо напруги на той же кут, що і у даному вводі. Модельованими параметрами є ємність внутрішньої ізоляції вводу, активний опір і опір, який моделює зміну параметрів внутрішньої ізоляції. Розраховані чисельні значення ємнісного струму через ізоляцію високовольтного вводу, активного струму, опору, а також потужності втрат для вводу, що розглядається. Розроблена спрощена схема ізоляції високовольтного вводу. Розраховані потужності втрат та виконана їх оцінка при зміні тангенса кута діелектричних втрат на 2 %. Наведена схема заміщення для ізоляції високовольтного вводу без урахування можливості зміни параметрів. Побудована модель, яка дозволяє врахувати зміну параметрів вводу, в яку паралельно підключено додатково опір. В якості схеми, що моделює параметри, була обрана схема резистивного дільника, оскільки вона забезпечує достатню точність, стабільність і потужність. Метод, який було використано для моделювання зміни параметрів внутрішньої ізоляції конденсаторного типу високовольтних вводів можна рекомендувати як допоміжний для аналізу чутливості пристрою контролю під робочою напругою вводів силових високовольтних трансформаторів.

Керування та охолодження електронного навантаження на основі FET-транзистора

Роман Валентинович Зайцев — 2022-07-02

Впровадження електронного навантаження для випробування високоточних низьковольтних джерел (сонячних батарей) вимагає ретельного перегляду не тільки схемотехнічної конструкції, а й теплотехнічної та механічної конструкції такого приладу. Сучасні досягнення у розробці сонячних елементів та інших низьковольтних джерел енергії призвели до необхідності створення компактних та експресних систем їх тестування, котрі не можна реалізувати на існуючих рішеннях. У статті розглядається принцип створення та розрахунку оптимального рішення для реалізації електронного навантаження. Для досягнення мети використовуються методи аналіза сучасної електронної бази, розрахунки основних фізичних та електричних параметрів та їх моделювання. На основі розглянутих фізико-схемних рішень для реалізації електронного блоку навантаження була розроблена відповідна електрична схема. Транзистори керуються чотирма уніполярними операційними підсилювачами, інтегрованими в мікросхему LM324. Управління електронним блоком навантаження реалізується шляхом управління напругою на клемах позитивного зворотного зв'язку, яка додатково стабілізується мікросхемою TL431. Пристрій живиться від джерела постійного стабілізованого струму напругою 12 В (забезпечує додаткову фільтрацію від коливань напруги). Розрахунок теплового балансу дозволяє правильно підібрати систему охолодження для стабільної роботи системи. Управління електронним блоком навантаження реалізовано за допомогою мікросхем INA219 і Xicor X9C, запропоновано спосіб їх калібрування. Ці рішення дозволять створити універсальне рішення електронного навантаження для дослідження напівпровідникових приладів і сонячних елементів. Дотримання рекомендацій і принципів, які викладені в цій статті, забезпечить навантаженню можливість працювати на великій потужності, і при цьому зберегти хороші характеристики і надійність.

Дослідження конструкції концентратору сонячного випромінювання для автономних фотоенергетичних установок

Михайло Валерійович Кіріченко — 2022-07-02

Суттєве зростання потужності завдяки використанню концентраторів сонячного випромінювання підтверджує доцільність використання концентрованого випромінювання, а розробку концентраторів робить окремою задачею оптичної фізики. Особливої уваги заслуговують концентратори для отримання високого ступеню концентрації випромінювання, їх розробка потребує цілої низки інноваційних технічних рішень. В роботі проведені комплексні дослідження з оптимізації концентраторів сонячного випромінювання для використання у складі висококонцентраційних фотоенергетичних систем шляхом дослідження оптичних властивостей та особливостей деградації фацетного, вакуумного та сегментного концентраторів. За результатами натурної апробації експериментального зразка фацетного концентратора було виявлено, що процедура налаштування концентратору пов’язана із індивідуальним коректуванням положення кожного із 400 дзеркал, що є вкрай складно. А внаслідок недостатньої жорсткості конструкції концентратор потребує корекції в налаштуваннях після операцій по переміщенню чи збиранню-розбиранню експериментального зразка концентратора. Оскільки концентратор потребує регулярного очищення внаслідок природнього забруднення від пилу, дощу та інших природніх факторів дана операція пов’язана із механічним впливом на дзеркала, що призводить до порушення їх налаштувань. За результатами апробації концентратору вакуумного типу було встановлено, що такі концентратори є дуже чутливими до якості виготовлення основи оскільки внаслідок особливостей конструкції практично не піддаються налаштуванню після виготовлення також вони мали занадто великий розмір фокальної плями яка перевищує розмір теплоприймача. За результатами натурної апробації встановлено, що перспективним для використання у складі фотоенергетичних систем є конструкція концентратору сегментного типу, що являє собою круговий масив сегментів виготовлених з дзеркального матеріалу, інтегральний коефіцієнт відбиття якого сягає 95% та виготовлено експериментальний зразок площею 3,6 м2, що дозволяє отримати фокусну пляму діаметром 120 мм з трапецієвидним розподілом освітленості із коефіцієнтом концентрації випромінювання на рівні 360 од.

Розпізнавання перегрівів у різних діапазонах температур, що супроводжуються розрядами з різним ступенем інтенсивності, за результатами аналізу розчинених у маслі газів

Олексій Сергійович Кулик — 2022-07-02

В умовах воєнного стану, а також післявоєнної відбудови країни, забезпечення надійного електропостачання населенню та промисловості лягає на плечі досить постарілого парку обладнання електроенергетичної галузі. На перший план виходить завдання забезпечити експлуатаційну надійність та подовжити термін експлуатації цього обладнання. Найбільш практичними, з точки зору експлуатації, є методи неруйнівної діагностики. Для неруйнівної діагностики стану високовольтних силових трансформаторів аналіз розчинених в маслі газів є найбільш розповсюдженим та використовуваним. Даний метод, використовуючи різні діагностичні критерії (значення відношень газів, відсотковий вміст газів тощо), дозволяє розпізнавати більшість дефектів (як електричного, так і термічного типу), що виникають в трансформаторі. Проте в процесі експлуатації можуть виникати, так звані комбіновані дефекти, тобто розряди, що переходять в перегріви, або перегріви, які супроводжуються розрядами. Крім того, в одному і тому ж трансформаторі можуть виникнути два і більше дефектів різного типу. Значення критеріїв, що використовуються для розпізнавання комбінованих дефектів, істотно відрізняються від значень критеріїв, характерних для термічних або електричних дефектів, що значно ускладнює процес розпізнавання. Метою статті є аналіз значень діагностичних критеріїв, а також надійність розпізнавання перегрівів у різних діапазонах температур, що супроводжуються розрядами з різним ступенем інтенсивності. Для комплексного аналізу були використані результати аналізу розчинених в маслі газів по 471 високовольтним силовим трансформаторам, в яких були виявлені перегріви у різних діапазонах температур, що супроводжуються розрядами з різним ступенем інтенсивності. Аналізовані 471 значень були розбиті на 38 масивів даних з близькими значеннями відсоткового вмісту газів, відношеннями газів і зі схожими номограмами дефектів. На основі аналізу достовірності розпізнавання перегрівів у різних діапазонах температур, що супроводжуються розрядами з різним ступенем інтенсивності, з використанням норм та критеріїв, регламентованих найвідомішими стандартами та методиками, встановлено, що найбільшу достовірність розпізнавання забезпечують значення відношень газів, що регламентуються квадратом ETRA, а також метод номограм.

Формування еталонних траєкторій показників трансформаторних масел для автотрансформаторів 330 кВ

Сергій Григорович Пономаренко — 2022-07-02

У статті наводиться опис процедури статистичної обробки результатів періодичних експлуатаційних випробувань стану трансформаторних масел в баках автотрансформаторів напругою 330 кВ з метою формування еталонних траєкторій показників для ранньої діагностики трансформаторних масел. Запропонована процедура статистичної обробки результатів періодичних експлуатаційних випробувань стану трансформаторних масел включає в себе два етапи. На першому етапі статистичної обробки, з метою зниження впливу похибок, характерних для експлуатаційного контролю, здійснюється відсів стаціонарних по математичному очікуванню залежностей показників трансформаторних масел від тривалості експлуатації. Для вирішення даної задачі запропоновано використовувати математичний апарат однофакторного регресійного аналізу показника масел на тривалість експлуатації. Практична реалізація такого підходу показала, що використання регресійного аналізу дозволяє виявити не тільки стаціонарні залежності показників масла (тобто ті залежності, для яких з ростом тривалості експлуатації не спостерігається статистично значущої зміни математичного очікування показника, що еквівалентно рівності нулю значення кутового коефіцієнта регресійної моделі), але і залежності показників масел спотворені за знаком коефіцієнта парної кореляції показника масла на тривалість експлуатації. На другому етапі статистичної обробки здійснюється безпосереднє формування еталонних траєкторій показників. Для врахування нелінійного характеру залежностей показників масла від тривалості експлуатації, а також істотних відмінностей в інтенсивності старіння трансформаторних масел в окремих трансформаторах, які обумовлені як відмінностями в конструкції і системах охолодження автотрансформаторів, так і різними марками трансформаторних масел і відмінностями в режимах експлуатації автотрансформаторів, був використаний критерій максимуму кореляційного відношення показника масла на тривалість експлуатації. Використання даного критерію дозволило сформувати еталонні траєкторії показників трансформаторних масел в автотрансформаторах напругою 330 кВ, навіть в умовах обмеженої інформації про режими експлуатації аналізованих автотрансформаторів. Наведений приклад практичного використання пропонованої процедури при формуванні еталонних траєкторій вмісту в маслі органічних кислот продемонстрував її високу ефективність.

Формування і аналіз техніко-економічної моделі трансформації електричної енергії із застосуванням критеріального методу

Вероніка Вікторівна Черкашина — 2022-07-02

Сформовано техніко-економічну модель трансформації електричної енергії відповідно стратегії розвитку електроенергетики України. У зв’язку з оновленням цінностей, які закладені в стратегію розвитку електричних мереж України, постає необхідність пошуку найбільш оптимальних характеристик силових трансформаторів. Для реалізації даної задачі використано техніко-економічну модель, яка має мінімум цільової функції, що дає змогу прийняти економічно доцільне й обґрунтоване рішення щодо параметрів трансформаторів під час проєктування електричних мереж. Для виконання поставленої задачі наведено процес формування техніко–економічної моделі, яка дозволяє проводити її аналіз критеріальним методом. Процес формування техніко–економічної моделі виконано на основі технічних характеристик двообмоткових трансформаторів з вищою напругою 110 кВ в діапазоні потужності від 10 до 63 МВА. Початкова техніко-економічна модель спрощена шляхом апроксимації основних складових частин степеневими функціями за допомогою застосування методу найменших квадратів. Наведено основні умови, які використовувалися для знаходження коефіцієнтів апроксимації. На основі знайдених коефіцієнтів апроксимації побудовані графіки, які дозволяють оцінити точність апроксимації, порівнюючи апроксимовані значення параметрів силових трансформаторів та значення параметрів існуючих силових трансформаторів. Графіки, також, вказують на ключові складові, які впливають на загальне значення витрат на трансформацію електричної енергії. Викладено алгоритм знаходження критеріїв подібності за допомогою показників ступеня основних апроксимуючих параметрів. Виконані перетворення техніко-економічної моделі, які дозволяють проводити аналіз витрат на трансформацію електричної енергії за допомогою критеріального методу. Знайдено показники критеріїв подібності, на основі яких техніко-економічна модель представлена в критеріальній формі. Проведена оцінка достовірності отриманих критеріїв подібності шляхом порівняння значень співвідношень складових в техніко-економічній моделі та співвідношення, яке отримане на основі критеріїв подібності. Обґрунтовано, що отримані критерії подібності, за першого наближення, можна вважати близькими за значеннями до існуючих співвідношень.

Моделювання електричного поля прохідного полімерного ізолятора в програмному середовищі Ansys Maxwell

Сергій Юрійович Шевченко — 2022-07-31

У статті проаналізовано програмні засоби моделювання карт розподілу напруженості електричного поля ізоляторів. Необхідність вирішення даного питання диктується тим, що нерівномірність електричного поля на ізоляторах спричиняє підвищення вірогідності виникнення часткових розрядів, які руйнують ізоляційний шар, тому дуже важливим є питання оптимізації напруженості електричного поля на ізоляторі. Розглянуто конструктивні особливості прохідних ізоляторів та особливості виникнення часткових розрядів в них. Розглянуто розподіл напруженості електричного поля в полімерному прохідному, що працює в мережі змінного струму без забруднень. Наведено результати моделювання електричного поля ізоляторів в програмному середовищі Ansys Maxwell, в основі моделювання якого лежить метод скінченних елементів. Виявлено точки в конструкції прохідного полімерного ізолятору 35 кВ, де концентрується найбільший рівень напруженості електричного поля. Запропоновано спосіб впливу на досліджувану при моделюванні ділянку в області з’єднання фланцю з заземлюючою плитою. Таким чином визначено використання провідної обкладки, яка розміщена між фланцем та місцем приєднання до полімерного ізолюючого шару, що дозволяє значно покращити загальний розподіл напруженості електричного поля по поверхні прохідного полімерного ізолятора та зробити його конкурентним у порівнянні з найбільш часто використовуваними на даній напрузі фарфоровими прохідними ізоляторами, за рахунок підвищення електричної міцності конструкції. За результатами дослідження запропоновано засіб оптимізації електричного поля прохідного полімерного ізолятора, що дозволяє підвищити його електричну стійкість, а також зменшити напруженість електричного поля в районі стикування фланцю з поверхнею кріплення, що, в свою чергу, запобігає виникненню передчасних часткових розрядів в ізоляційному тілі.

Особливості розпізнавання типу дефекту маслонаповненого обладнання з використанням методу номограм

Олег Володимирович Шутенко — 2022-07-02

У статті наведено результати аналізу номограм (графічних областей) дефектів маслонаповненого обладнання електричних мереж. Як вихідні дані було використано результати аналізу розчинених у маслі газів для 2997 трансформаторів і шунтувальних реакторів із дефектами різного типу, тобто навчальну вибірку. Для нівелювання можливих суперечностей під час використання різних критеріїв, навчальну вибірку було розбито на окремі масиви даних не тільки з одним і тим самим типом дефекту, а й з ідентичними значеннями характерних відношень газів, відсоткового вмісту газів і відношень газів до газу з максимальною концентрацією. З метою врахування дрейфу значень координат окремих номограм в отриманих масивах, номограми дефектів запропоновано представляти у вигляді еталонних областей. Як значення меж еталонних областей використовуються максимальні та мінімальні значення координат (відношень кожного з газів до газу з максимальною концентрацією), отримані для однорідних масивів результатів аналізу розчинених в маслі газів. При цьому центр графічної області збігається з еталонною номограмою. У результаті було побудовано 115 номограм, характерних для дефектів термічного типу, електричних розрядів, а також перегрівів з різною температурою гарячої точки, що супроводжуються розрядами з різною щільністю енергії, розрядами з різною щільністю енергії, а також розрядами з різною щільністю енергії, що супроводжуються перегрівами з різною температурою гарячої точки. Наведено короткий аналіз отриманих графічних областей, розглянуто найхарактерніші ушкодження, які відповідають тій чи іншій графічній області, проаналізовано значення співвідношення характерних газів, які відповідають аналізованим областям. У процесі аналізу встановлено, що найбільш максимальне значення достовірності розпізнавання типу дефекту може бути забезпечено завдяки одночасному використанню усіх трьох діагностичних критеріїв, а саме значень відношень газів, відсоткового вмісту газів і номограм (графічних областей) дефектів. Отримані результати дають змогу істотно збільшити кількість еталонних номограм, що дасть змогу істотно збільшити кількість дефектів, які можна розпізнати, і, як наслідок, знизити ризик аварійного пошкодження маслонаповненого обладнання через пропуск дефекту, спричинений відмовою від розпізнавання.