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

Дослідження питання покращення енергоефективності процесу трансформації електричної енергії в українських електричних мережах

Владислав Миколайович Баклицький — 2024-12-29

В роботі наведено основні умови функціонування українських електричних мереж, серед яких відзначається: необхідність дотримання вимог євроінтеграції; функціонування в умовах дефіциту генеруючих потужностей та ринкових відносин; зміна характеру електроспоживання; зношеність електромережевого обладнання. Вказані завдання, які спричинені умовами функціонування та потребують вирішення для надійного функціонування електричних мереж та подальшої діяльності України, як члена Європейського співтовариства. До основних завдань, які наводяться в роботі відносяться: покращення надійності електропостачання; потреба в підвищенні рівня інформатизації, автоматизації та енергоефективності. Зазначено, що на шляху до вирішення поставлених завдань виконуються роботи з реконструювання електричних мереж, основою фінансування яких є інвестиційні програми. Висвітлено та проаналізовано питання покращення енергоефективності процесу трансформації електричної енергії за чинних умов функціонування українських електричних мереж. За результатами проведеного аналізу встановлено, що питання покращення енергоефективності процесу трансформації електричної енергії актуальне під час реконструювання електричних мереж. Вказано, що аналіз енергоефективності трансформації електричної енергії може виконуватись на основі техніко-економічної моделі витрат на трансформацію електричної енергії та наведені параметри, які впливають на величину витрат. Зазначено, що об’єднавши параметри, які входять до складу техніко-економічній моделі витрат на трансформацію електричної енергії в окремі складові спостерігається конкуруючий ефект між складовими за умови перегляду потужності силового трансформатору. В роботі звернено увагу на доцільність формування узагальнюючих розрахункових методів для врахування економічної складової під час перегляду номінальної потужності силових трансформаторів.

Геніальний інженер і винахідник Гуго Штотц. До 100-річчя винаходу автоматичного відмикача

Олександр Михайлович Гречко — 2024-12-29

У статті наведено науково-історичний нарис про основні етапи життя видатного німецького інженера і винахідника, автора винаходу мініатюрного автоматичного відмикача Гуго Штотца. В роботі вперше узагальнено та систематизовано інформацію щодо історичних подій, які стосувались безпосередньо особи Гуго Штотца як винахідника мініатюрного автоматичного відмикача, так власне і подій, які передували, супроводжували та відбувались вже після винаходу революційного електричного апарату, який докорінно змінив життя людини. Розглянуто маловідомі цікаві факти та деталі з життя видатного винахідника, які сприятимуть кращому розумінню історичних подій, що трапились в епоху зародження автоматичних відмикачів у якості апаратів захисту. В статті проаналізована роль особистості Гуго Штотца та його компанії у винаході мініатюрного автоматичного відмикача. Наведений у статті науково-історичний нарис також спрямований на вшанування пам’яті видатного винахідника у галузі електричної інженерії Гуго Штотца. Існуюча на сьогодні на світовому ринку електротехнічного обладнання велика кількість різних модифікацій мініатюрних автоматичних відмикачів від багатьох виробників для різноманітних галузей застосування сконструйована практично за тим самим принципом, що й автоматичний відмикач Гуго Штотца, який був винайдений 100 років тому. В роботі наведено основні історичні етапи розвитку конструкцій мініатюрних автоматичних відмикачів від їх виконання у пробковому корпусі до виробництва у модульному виконанні. В роботі показано, що ринок автоматичних відмикачів є надзвичайно великим, що робить даний електричний апарат невід’ємною складовою частиною електробезпеки в житлових будинках та на промислових підприємствах.

Дослідження усталених режимів електричної мережі 110 кВ та мінімізація втрат активної потужності

Олександра Анатоліївна Загайнова — 2024-12-29

Об’єктом аналізу є розподільча електрична мережа, що являє собою фрагмент реальної діючої мережі 110 кВ. Джерела живлення представлені чотирма вузлами, а споживачами є чотирнадцять підстанцій: 9 із триобмотковими трансформаторами 110/35/10 і 5 із двообмотковими трансформаторами 110/10. Сумарна потужність, що споживається, дорівнює 51,7 МВт. Для розрахунку усталених режимів були використані нелінійні вузлові рівняння у формі балансу потужностей у полярній системі координат. Для визначення напруги у всіх вузлах електричної мережі і перетоків потужності використали відповідні математичні моделі електричної мережі. На окремих ділянках мережі виявлені значні перетоки реактивної потужності, які є небажаними для ефективної роботи мережі. Для того, щоб режим роботи електричної мережі при заданих потужностях відповідав нормам відхилення напруги у вузлах і струмові навантаження для елементів мережі були припустимі, використані заходи зниження втрат потужності в електричних мережах. Було проведено аналіз зміни втрат потужності від зміни напруги балансуючого вузла. Збільшення напруги на шинах балансуючого вузла на 5 кВ зменшили сумарні втрати активної потужності з 0,9086 МВт до 0,8305 МВт. Також після підключення батареї статичних конденсаторів у вузлах електричній розподільчої мережі значно зменшились втрати активної потужності. До підключення батареї статичних конденсаторів втрати становили 0,9086 МВт, а після підключення втрати склали 0,7890 МВт. Було проаналізовано вплив на втрати активної потужності примусова зміна потокорозподілу у мережі шляхом розмикання контурів замкнутої розподільної мережі. Розмикання контурів мережі, яку аналізували, не веде до зменшення сумарних втрат активної потужності, оскільки дана мережа 110 кВ практично однорідна. Практична значимість отриманих результатів полягає у можливості зменшення втрат потужності в мережах шляхом нормалізації режиму напруги та більш повної компенсації реактивної потужності в них.

Визначення зусиль у енергоефективній системі електромагнітного утримання заряду

Борис Григорович Любарський — 2024-12-29

Стаття розглядає проведення чисельного експерименту щодо визначення зусиль у системі електромагнітного утримання метального заряду газодетонаційного пускового пристрою на підставі розрахунку магнітного поля методом скінчених елементів у тривимірній постановці задачі. Для впровадження технології запуску метального заряду за допомогою газодетонаційного пускового пристрою у вітчизняне виробництво проведено дослідження та розробка системи його керування, елементом якої є електромагнітний пристрій утримання заряду. Основними параметрами, що використовуються для керування енергією запуску, є початковий тиск та об’єм стисненого газового заряду. Величина цих параметрів залежить від умов нагнітання газового заряду в пристрої, що впливає на його подальші характеристики під час ініціювання запалення. Проведено дослідження щодо визначення впливу умов нагнітання газового заряду на його стан до моменту запалення. Зокрема, аналізувалися вплив тиску нагнітання на параметри газового заряду в момент спрацьовування клапану. Результати досліджень показали, що тиск нагнітання має суттєвий вплив на кінцевий тиск газового заряду під час повного спрацювання клапану, який є важливим фактором для точного контролю дальності польоту. Проведено чисельний експеримент, при якому струм у обмотці змінюється від 0 до 12 А. За результатами розрахунків отримано розподіл магнітного поля у вигляді магнітної індукції у розрахунковій області. Розподіли індукції при різних значеннях струму мають подібний вигляд, однак індукція збільшується зі збільшенням струму, що обумовлено збільшенням напруженості поля при збільшенні сумарного струму. Визначено, що найбільше значення індукції від 2,2 до 2,7 Тл. знаходиться у п’яті метального заряду, це обумовлено тим фактом, що площа поперечного перерізу у напрямку руху загального магнітний потоку менша ніж у корпусі магніту та стакані. За результатами проведеного чисельного експерименту визначено, що зусилля утримання метального заряду 1000 Н досягається при струмі котушки 2,41 А.

Аналіз видів пробою полімерної ізоляції

Микола Сергійович Ніконов — 2024-12-29

В роботі досліджено теорію утворення каналу електричного пробою в полімерних діелектриках. Процес експлуатації електричних мереж досить складний, бо діелектричні матеріали під дією напруженості електричного поля втрачають свої ізоляційні властивості, що спричинює руйнування молекулярних зв’язків. Такому явищу дали назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності та втрати діелектричних властивостей, з наступним утворенням каналу пробою з високою електричною провідністю. Додаткові фактори, такі як умови охолодження ізоляції, зовнішнє механічне навантаження, дія ультрафіолетового випромінювання, температура навколишнього середовища, вологість повітря, наближеність до магістральних шляхів, на яких періодично проводять обробку хімічними реагентами, ступінь забрудненості району, наявність колонії грибів на поверхні, прискорюють процес руйнування ізоляційних властивостей діелектрика. У роботі розглянуто класифікацію видів пробою полімерної ізоляції за фізичною природою виникнення, як-от електричний, електротепловий (тепловий), електромеханічний та електрохімічний пробої. Дослідження цих процесів має суттєвий вплив, адже процес діагностики неозброєним оком деяких видів пробою ускладнюється через протікання процесу всередині ізоляції та не завдає пошкодження всьому ізоляту на відміну від класичної фарфорової або скляної. Прикладом такого процесу є електротепловий пробій. Причина його виникнення зумовлена порушенням теплової рівноваги в діелектрику між процесами тепловиділення та тепловіддачі. Зростання температури діелектрика збільшує його електропровідність, збільшуються струми витоку та виділяється в ізоляції тепло. Підвищення температури впливає на збільшення електропровідності діелектрика, що також виділяє додаткове тепло та створює лавиноподібний процес розігріву діелектрика та подальшого пробою.

Методологія аналізу впливу електромобілів на розподільчу мережу: теоретичний підхід

Валерій Станіславович Ноздренков — 2024-12-29

Зростання попиту на електроенергію та стрімке поширення електромобілів створюють значні виклики для низьковольтних розподільчих електромереж, зокрема для їх критично важливих компонентів, таких як розподільчі трансформатори. Інфраструктура, спроєктована для традиційних навантажень, стикається з ризиком перевантаження через високі пікові навантаження, спричинені неконтрольованим заряджанням електромобілів. У цій статті розроблено комплексний методологічний підхід для оцінки впливу процесів заряджання на довговічність розподільчих трансформаторів із врахуванням різних рівнів проникнення електромобілів, комбінацій електричних навантажень та локальних умов експлуатації. Дослідження базується на гіпотезі, що оптимізація графіків заряджання, зокрема перенесення його на непікові години, може суттєво зменшити швидкість старіння трансформаторів і підвищити надійність електропостачання. Запропонована методологія використовує модель на основі нечіткої логіки, яка інтегрує численні фактори, що впливають на експлуатаційні характеристики трансформаторів, включаючи температуру навколишнього середовища, вплив гармонійних спотворень, рівень компенсації реактивної потужності, наявність зворотних потоків енергії від фотоелектричних установок та ризики перевантаження. У роботі розглянуто сценарії заряджання на вимогу, заряджання в непіковий час та комбінований режим із використанням технології «автомобіль-домівка» (V2H), що забезпечує інтеграцію електромобілів як резервного джерела енергії для побутових потреб. Результати дослідження демонструють, що запровадження таких підходів дозволяє мінімізувати витрати на модернізацію мережі, забезпечуючи стабільність її роботи навіть за умов високого рівня проникнення електромобілів. Представлена методологія слугує основою для розробки адаптивних стратегій управління енергетичними ресурсами, спрямованих на покращення стійкості системи розподілу, подовження терміну служби трансформаторів та підвищення економічної ефективності інфраструктури.

Прогнозоване управління системою опалення з використанням IoT та предиктивної аналітики

Валерій Станіславович Ноздренков — 2024-12-29

У статті розглядаються принципи та методи прогнозованого управління системами опалення з використанням технологій Інтернету речей (IoT) та предиктивної аналітики. Представлено модель керування процесом нагрівання приміщення, яка враховує теплові втрати та використовує алгоритми регулювання, що базуються на прогнозуванні зовнішньої температури. Основою моделі є інтеграція даних від IoT-датчиків і хмарного сервісу OpenWeatherMap, що дозволяє формувати коригувальний сигнал для оптимізації енергоспоживання та забезпечення стабільності температури. Запропоновано підхід до адаптації традиційних регуляторів (ПІ/ПІД) для дискретного режиму роботи котла, що гарантує якість перехідних процесів без перерегулювань і значних температурних коливань. У роботі детально описано реалізацію моделі в середовищі MATLAB Simulink, а також програмну інтеграцію через платформу Node-RED із використанням протоколу ModBus TCP. Крім того, досліджено ефективність розподіленої архітектури типу «сервер–виконуючий пристрій», яка забезпечує зручну інтеграцію IoT-систем із зовнішніми сервісами. Результати моделювання підтверджують, що врахування прогнозованих змін зовнішньої температури дозволяє суттєво знизити витрати енергії, зберігаючи тепловий комфорт і стабільність системи. Запропонована методика демонструє потенціал впровадження енергоефективних рішень для автоматизації управління кліматом у приміщеннях, а також перспективи подальшого використання IoT-технологій у цьому напрямку.

Порівняльний аналіз накопичувачів енергії різних типів - літій-залізо-фосфатних (LiFePO4) та натрій-іонних (Na-Ion)

Руслан Валерійович Оксенич — 2024-12-29

Зберігання енергії – це процес накопичення, вивільнення та управління енергією, який відбувається за допомогою накопичувачів. На сьогодні цей принцип зберігання енергії наразі відіграє важливу роль в енергопостачанні. Оскільки відновлювані джерела стають все більш відповідальними за виробництво енергії. Більше того, оскільки неможливо регулювати кількість енергії з відновлюваних джерел, необхідно зберігати енергію в періоди меншого попиту або більшого виробництва, з таких джерел, як сонячна та вітрова енергія. Протягом останнього століття було розроблено широкий спектр технологій зберігання енергії – від масштабних гідроелектростанцій до передових електрохімічних накопичувачів. Гідроелектростанції залишаються основним способом довготривалого зберігання енергії завдяки їх високій ємності та довговічності. Водночас батареї накопичувачі на основі літій-залізо-фосфату та натрій-іонну відкривають нові можливості для зберігання енергії на локальному рівні, що робить їх перспективними для інтеграції у сучасні енергосистеми. Крім того, ефективне використання накопичувачів енергії дозволяє мінімізувати ризики нестачі електроенергії у критичні періоди та забезпечити стабільність енергосистеми. Це досягається завдяки здатності накопичувачів ефективно вирівнювати навантаження, компенсувати коливання генерації відновлюваних джерел та забезпечувати надійне резервне живлення. Зокрема, технології LiFePO₄ та Na-Ion демонструють високу енергоефективність, що дозволяє інтегрувати їх у різні сегменти енергосистеми – від побутових пристроїв до масштабних промислових установок. Їх використання також сприяє зниженню вуглецевого сліду енергетичного сектору, що є важливим для досягнення цілей сталого розвитку. У даній роботі виконано порівняння двох видів електрохімічних накопичувачів – LiFePO₄ та Na-Ion. Особливу увагу приділимо їх довговічності, енергоефективності, матеріалам, з яких вони виготовлені, а також технічним характеристикам. Також, буде оцінено їх економічну доцільність та перспективи впровадження у комерційних і побутових застосуваннях.

Розрахунок магнітного поля низьковольтного струмопроводу вбудованої трансформаторної підстанції

Дмитро Євгенович Пєлєвін — 2024-12-29

Метою роботи є розробка аналітичної методики розрахунку магнітного поля поблизу низьковольтного струмопроводу вбудованої у житловий будинок трансформаторної підстанції 6(10)/0,4 кВ старої забудови, що не має обмежень з відстані до розрахункової зони. Використовуючи закон Біо-Савара та принцип суперпозиції побудовано математичну модель магнітного поля окремих прямолінійних ділянок струмопроводу, та розроблено аналітичну методику розрахунку магнітного поля низьковольтного струмопроводу трансформаторної підстанції, що визначає індукцію її магнітного поля в цілому. Здійснено верифікацію розробленої методики розрахунку магнітного поля шляхом експериментальних досліджень на магнітовимірювальному стенді інституту повномасштабного лабораторного макету низьковольтного струмопроводу трансформаторної підстанції потужністю 100 кВА, які підтвердили співпадіння результатів розрахунку та експерименту з розкидом не більше 5 %. Виявлено характер розподілу магнітного поля над трифазним низьковольтним струмопроводом, який близький до дипольного, що визначає можливість його ефективного зменшення простішими системами активного екранування з однією компенсаційною обмоткою. Планується широке застосування розробленої методики при створенні нових методів та засобів зменшення до безпечного для населення рівня магнітного поля діючих вбудованих трансформаторних підстанції 6(10)/0,4 кВ потужністю 100–1260 кВА.

Оптимізація режиму розподільчої мережі по напрузі в сучасних умовах

Ігор Васильович Хоменко — 2024-12-29

У статті розглянуто фрагмент реальної розподільчої електричної мережі напругою 35–110 кВ, яка складається з замкненої конфігурації мережі 110 кВ із відгалуженнями напругою 35 кВ. Використано реальні технічні параметри трансформаторів, встановлених у вузлах навантаження, а також характеристики проводів ліній електропередач. Для аналізу було враховано актуальні значення навантажень з врахуванням роботи альтернативних джерел енергії, під’єднаних до кожного з вузлів. Під впливом цих факторів деякі вузли навантаження перетворюються на генераторні. Отримана розрахункова схема заміщення цієї мережі з урахуванням як поздовжніх, так і поперечних параметрів. Розглянуто алгоритм розрахунків, який використовується для аналізу режимів роботи електричної мережі. Проведено числові розрахунки нормальних режимів роботи мережі за допомогою розрахункової програми, що дозволило дослідити вплив регулювання напруги на втрати електричної енергії. Зокрема, було досліджено, як впливає зміна рівня напруги в базисному та балансуючому вузлі мережі напругою 110 кВ на усталений нормальний режим роботи всієї мережі. Дослідження включає порівняльний аналіз втрат електричної енергії для різних компонент: активної та реактивної складових потужності. Такий підхід дозволяє зробити висновки щодо впливу заходів регулювання напруги на втрати електричної енергії. На основі виконаних розрахунків визначено кількісний та якісний вплив підвищення рівнів напруги у базисному вузлі на зменшення втрат електроенергії у всій мережі в цілому. Таким чином, було зроблено висновок про можливість оптимізації режиму роботи електричної мережі за напругою.

Розробка теплової моделі маслонаповненого трансформатора в середовищі Ansys

Сергій Юрійович Шевченко — 2024-12-29

У роботі детально розглянуто моделювання теплових режимів підземної підстанції з використанням програмного середовища Ansys. Основна увага приділена маслонаповненому трансформатору ТРДН-63000/110, для якого створено спрощену геометричну модель у модулі Design Modeler. Моделювання теплових процесів виконано в Ansys Steady-State Thermal із використанням трикутної сітки та налаштуванням параметрів матеріалів, таких як теплопровідність і властивості охолоджувального середовища. У дослідженні проаналізовано режими роботи трансформатора: коротке замикання, холостий хід та перехідні стани. У режимі короткого замикання результати моделювання показали, що при використанні трансформаторної оливи максимальна температура активної частини знижується до діапазону 67–91 °C, що є значно нижчим, ніж у випадку повітряного охолодження, коли температура перевищувала допустимі значення (225 °C). У режимі холостого ходу максимальна температура трансформатора склала лише 35 °C, що свідчить про ефективність масляного охолодження навіть при мінімальних енергетичних навантаженнях. Особливу увагу приділено дослідженню залежності максимальної температури активної частини трансформатора від щільності теплових потоків у різних режимах роботи. Показано, що максимальна температура прямо пропорційно залежить від навантаження та густини теплових потоків, а найбільша інтенсивність тепловіддачі спостерігається поблизу обмоток. Отримані результати дозволяють оцінити ефективність тепловіддачі трансформатора та його вплив на тепловий баланс приміщення підстанції. Дані моделювання можуть бути використані для вдосконалення конструкції трансформаторів, оптимізації систем охолодження та забезпечення надійної роботи енергетичного обладнання в умовах підземних підстанцій. Проведене дослідження підкреслює важливість застосування сучасних чисельних методів для аналізу теплових характеристик трансформаторів і їх адаптації до складних умов експлуатації.

Обґрунтування схеми плавлення ожеледі на проводах повітряних ліній електропередачі

Антон Олексійович Шматов — 2024-12-29

У статті розглядається актуальна проблема, пов’язана з утворенням ожеледно-паморозних відкладень на проводах повітряних ліній електропередачі, що викликає значні технічні труднощі у забезпеченні надійності електропостачання, особливо в умовах зимового періоду. Нагромадження льоду та паморозі на проводах призводить до збільшення ваги проводів, що може спричинити їх провисання, пошкодження ізоляторів, руйнування опор і, як наслідок, серйозні аварії на лініях електропередачі. Проаналізовано причини аварій в електричних мережах внаслідок ожеледно-паморозних відкладень та виявлено, що їх усунення дозволить знизити ймовірність пошкодження повітряних ліній електропередачі від дії ожеледних навантажень. Однак, існуючі методи боротьби з цією проблемою мають ряд недоліків, таких як висока вартість, низька ефективність у певних умовах, а також негативний вплив на навколишнє середовище. У статті представлено схему плавлення ожеледі на проводах повітряних ліній електропередачі методом трифазного короткого замикання при живленні від джерела живлення з глухозаземленою та ізольованою нейтраллю. Дана схема дозволяє локально підвищити температуру проводів до рівня, який достатній для розтоплення льоду та паморозі, що знижує ризик аварійних ситуацій і забезпечує безперебійну роботу електричної мережі. У статті наведено теоретичні обґрунтування схеми для плавлення ожеледі струмами трифазного короткого замикання, які підтверджують її ефективність. Проведений аналіз показав, що запропонована схема є економічно доцільною, оскільки дозволяє знизити витрати на обслуговування та ремонт повітряних ліній електропередачі. Крім того, вона є екологічно безпечною, оскільки не передбачає використання хімічних речовин. Таким чином, запропонована схема плавлення ожеледі на проводах повітряних ліній електропередачі є перспективним рішенням для покращення надійності та безпеки електропостачання в умовах зимових погодних явищ. Її застосування може значно підвищити ефективність експлуатації електричних мереж, зменшити кількість аварій та покращити стабільність енергопостачання споживачів.