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

АНАЛІЗ ДИНАМІКИ ЗМІНИ ГАЗОВМІСТУ МАСЕЛ У СИЛОВИХ ТРАНСФОРМАТОРАХ У ПРОЦЕСІ РОЗВИТКУ ІСКРОВИХ РОЗРЯДІВ

Олег Володимирович Шутенко — 2021-12-30

Наведено результати аналізу динаміки зміни значень діагностичних критеріїв, використовуваних для розпізнавання типу дефекту за результатами аналізу розчинених в маслі газів, для п’яти високовольтних трансформаторів в процесі розвитку іскрових розрядів. У процесі аналізу розглянуто динаміку зміни концентрацій газів, відсоткового вмісту газів, а також номограм дефектів. Також аналізувалася зміна типу дефекту в процесі розвитку іскрових розрядів з використанням діагностичного простору, що визначався значеннями відношень газів, регламентованих стандартом IEC 60599 і квадратом ЕТРА, та з використанням діагностичного простору, що визначався відсотковим вмістом газів, регламентованих трикутником Дюваля. За результатами аналізу встановлено, що при розвитку іскрових розрядів в різних трансформаторах значення діагностичних критеріїв відповідають дефектам різного типу, що практично не дозволяє прогнозувати даний дефект за результатами попередніх випробувань. У той же час значення і відношень газів, і їх відсотковий вміст, а також номограми дефектів, отримані за результатами аналізу розчинених в маслі ще до того моменту, коли концентрації газів перевищили свої граничні значення, відповідають дефектам різного типу, що дозволяє розпізнавати іскрові розряди на ранній стадії. За результатами аналізу кореляційних зв’язків між значеннями концентрацій і відсоткового вмісту газів та тривалістю експлуатації, а також між значеннями концентрацій і відсоткового вмісту окремих газів встановлено, що розвиток іскрових розрядів супроводжується не тільки зростанням концентрацій газів, що відомо і широко використовується, але і появою значущої позитивної кореляції між значеннями концентрацій розчинених у маслі газів і тривалістю експлуатації, а також між концентраціями окремих газів. При цьому гази, між якими виявлена значуща кореляція, в процесі розвитку іскрових розрядів в різних трансформаторах істотно розрізняються. Виконаний аналіз показав, що норми і критерії, регламентовані стандартом IEC 60599, квадратом ЕТRА і трикутником Дюваля не дозволяють розпізнавати іскрові розряди. Максимальна достовірність розпізнавання була отримана з використанням методу номограм. Отримані результати демонструють можливість раннього виявлення іскрових розрядів, що дозволяє підвищити достовірність неруйнівної діагностики і продовжити ресурс трансформаторів.

ВПЛИВ НИЗЬКОЇ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА РОБОТУ ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ

Ярослав Семенович Бедерак — 2021-12-30

Розглядається один із параметрів якості електричної енергії – провали напруги. Описується вплив провалів напруги в мережах промислових підприємств і їх вплив на обладнання промислових підприємств. Саме технологічні процеси дуже залежні від впливу провалів напруги, для яких короткочасні зупинки, перерви та зміни швидкості технологічних циклів призводять до незворотних втрат і тривалого часу для повторних запусків. Наведені причини провалів напруги, що зазвичай відбуваються через несправності в мережах загального доступу або електроустановках споживачів. Провали напруги є показниками якості електроенергії, що найчастіше зустрічаються, які впливають на роботу саме промислового обладнання. Також вразливими для провалів напруги є потужні силові напівпровідникові пристрої, забезпечені мікропроцесорами, такі як інвертори, зарядні пристрої батарей та джерела живлення, які погано переносять короткочасні (50–200 мс) провали та відключення напруги живлення з подальшим його поверненням. Для можливості проведення дослідження впливу було проведено групування обладнання по чутливості до провалів напруги. Показано типи обладнання за максимально допустимою тривалістю провалу. За результатами проведення досліджень було запропоновано заходи, що мінімізують наслідки провалів напруг у мережах промислових підприємств. Окремо визначено, що провали напруги призводять до кидків пускового струму, що також негативно впливає на мережу живлення, приводячи до ще більших провалів напруги, що позначається на стійкості роботи інших споживачів. І як рекомендація для механізмів електродвигунів з легкими умовами пуску рекомендовано застосовувати систему імпульсно-фазового керування, що дозволяє регулювати уставки струмообмеження, а для виконавчих механізмів приводів з важкими умовами пуску рекомендовано застосовувати частотний пуск синхронних електродвигунів, здатний автоматично підтримувати необхідний момент на валу двигуна та струм споживання.

ЕКОНОМІЧНІ ЗБИТКИ ВІД НИЗЬКОЇ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Ярослав Семенович Бедерак — 2021-12-30

Розглядаються проблеми підтримання якісних показників електричної енергії і, зокрема, провали напруги, а також наслідки провалів напруги у електричних мережах промислових підприємств. Наведено класифікацію електроприймачів за критичними ділянками з чутливості до провалів напруги. Описані основні заходи із запобігання технічним наслідкам впливу провалів напруги. Для забезпечення прогнозованого функціонування систем захисту необхідно проводити аналіз та готувати заходи щодо покращення якості електроенергії. Для цього успішно можуть використовуватися реєстратори з високим класом точності, вимірювання мають проводитися в характерних точках мережі, в центрах живлення, в точках загального приєднання споживачів. Наслідки від провалів напруги були розподілені за економічним збитком на підприємствах. Без загального урахування збитків від низької якості електроенергії неможливо коректно підрахувати економічний ефект від підвищення надійності технічних систем як при проектуванні, так і в експлуатації. Тому запропоновано використовувати контекстуальні фактори енергетичної ефективності. Звідси отримано підхід до вибору заходів захисту від провалів напруг, що потребує урахування перевірки економічної ефективності технічних заходів. Таким чином, для вибору будь-якого з заходів захисту від провалів напруг, спочатку необхідно проаналізувати статистичні дані, розібратися з причиною відключення обладнання, а потім прийняти технічно і економічно обґрунтоване рішення щодо підвищення надійності електропостачання. Не виключено, що найбільш просте та ефективне рішення щодо захисту від провалів напруги може виявитися не в електричній, а в технологічній частині або в системі контрольно-вимірювальних приладів.

РОБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ НИЗЬКІЙ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

Ярослав Семенович Бедерак — 2021-12-30

Розглядаються зміни якісних параметрів електропостачання з точки зору пов’язаності рівня напруги, її перепадів і нерівномірності (провалів) із активною і реактивною потужностями. В роботі розглядаються статичні характеристики навантаження у вигляді поліномів другого порядку в залежності від напруги. Авторами використовуються регулюючі ефекти активного та реактивного навантаження відповідно до напруги, що показують на скільки відсотків змінюється вихідна потужність при відхиленні напруги. Авторами приймається обмеження на величину втрат потужності у споживача, що перерахована у регулюючих ефектах навантаження. Таким чином задається і діапазон зменшення напруги для промислового навантаження. За умови, що в електричних системах застосовуються пристрої компенсації реактивної потужності, призначені, насамперед, для розвантаження мереж від реактивних струмів, в результаті виконання компенсація реактивної потужності може дати негативний ефект збільшення сумарного електроспоживання. Основна мета статті – показати можливість мінімізації втрат активної і реактивної потужності у трансформаторах з регулюванням рівня напруги в мережі. Втрати потужності в силовому трансформаторі складаються із втрат холостого ходу та навантажувальних втрат. Втрати холостого ходу обумовлені втратами сталі від вихрових струмів і втратами на гістерезис. Втрати навантаження в трансформаторі пропорційні квадрату струму навантаження. В статті визначається оптимальна напруга на вході трансформатора, при якій сумарні втрати активної потужності трансформатора будуть мінімальними. Аналітично визначено втрати потужності залежно від відносного рівня напруги через прирівнення похідної втрат за напругою до нуля. Таким чином отримано співвідношення мінімізації втрат електроенергії у трансформаторі по середньому рівню напруги на вході трансформатора, який відповідає мінімуму втрат електроенергії в трансформаторі при змінному навантаженні.

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРОЛЕЙНИХ ШИНОПРОВОДІВ НА ОСНОВІ ПОЛЬОВОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Юлія Сергіївна Безверхня — 2021-12-30

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. Існуючі в інженерній практиці методики розрахунку параметрів та характеристик шинопроводів засновані на методах схемного моделювання. Параметри схем зазвичай визначаються на основі узагальнених рівнянь. Ці рівняння отримані внаслідок низки припущень, що обмежує область їх використання. Альтернативою методикам, заснованих на емпіричних залежностях може бути застосування методів розрахунку електричних параметрів та характеристик на основі польового моделювання. Таким чином, в роботі було запропоновано математичну модель електромагнітних процесів в активних елементах тролеїв шинопровода, що враховує конструктивні параметри, нелінійність магнітних властивостей, вплив гармонійних складових струмів і напруг. На основі реалізації математичної моделі запропоновано методику визначення параметрів та характеристик тролеїв шинопровода на основі польового моделювання, що враховує конструктивні параметри, нелінійність магнітних властивостей, вплив гармонійних складових струмів та напруг, що володіє високою точністю та ефективністю чисельної реалізації. Встановлено вплив сталевого кожуха на електричні параметри та характеристики шинопровода. Наявність сталевого кожуха призводить до зниження коефіцієнта потужності, збільшення падінь напруги та спотворення їх фаз, а також до зростання втрат на 2 %. Виконано оцінку впливу на втрати активної потужності від гармонійних складових струмів. Наявність гармонійних складових струмів у межах стандарту призводить до додаткового збільшення втрат на 3 %. Однак, при перевищенні стандартизованих значень їх вплив на втрати активної потужності істотно зростає. Запропонована методика має високу точність та ефективність чисельної реалізації і може бути реалізована за допомогою програмного забезпечення зі статусом вільної ліцензії (наприклад, FEMM).

МЕТОДИКА ОЦІНКИ РЕСУРСУ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ЦЕХІВ

Антон Іванович Важинський — 2021-12-30

Прогнозування займає центральне місце в управлінні виробництвом та інфраструктурою. Розробка нових методів визначення залишкового ресурсу устаткування є важливим завданням, спрямованим на підвищення ефективності використання промислових електротехнічних комплексів. Вирішення завдання достовірного визначення стану енергетичного обладнання в гірничо-металургійному комплексі дозволяє перейти від застарілої системи планово-попереджувальних ремонтів до обслуговування за станом агрегату. Складні технічні системи характеризуються складними нелінійними взаємодіями між складовими їх елементами, складними сценаріями причинно-наслідкових зв’язків між небезпечними, імовірнісними подіями та процесами, що відбуваються під час експлуатації цих систем. Як наслідок, розробляються методи та інструменти для оцінки механізмів зносу та управління ними у галузях з високим рівнем ризику. У статті наведено результати, пов’язані з розробкою методики оцінки залишкового ресурсу промислового обладнання. Запропоновано алгоритм оцінки залишкового ресурсу енергетичного обладнання, що базується на порівнянні результатів розрахунку прогнозних значень критеріїв залишкового ресурсу промислового обладнання з нормативними значеннями. У методології використовуються ймовірні математичні методи для прогнозування залишкового терміну служби та інформація, зібрана в ході аудитів та моніторингу обладнання. Поряд із класичними методами наведено методики, що базуються на використанні всього потенціалу сучасної елементної бази мікропроцесорної техніки та технологій застосування штучних нейронних мереж, машинного навчання, «великих даних». На основі застосування ймовірнісного аналізу запропоновано методику контролю прогнозного залишкового ресурсу енергетичного обладнання, для якої розроблено алгоритм вирішення задач діагностики із застосуванням нейронних мереж.

ОБЛІК ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ ПРИ НИЗЬКІЙ ЇЇ ЯКОСТІ

Дмитро Анатолійович Гапон — 2021-12-30

Розглядається питання обліку електроенергії за низької її якості. Викликає особливу увагу перевірка схеми обліку приєднання при низькій якості електричної енергії. Показано, що конкретне схемне рішення може впливати на точність обліку електричної енергії за умови поганої якості електричної енергії. У розподільних мережах, призначених для електропостачання промислових підприємств реактивна потужність також активна. За наявності у споживача компенсуючих пристроїв напрями активної та реактивної потужності можуть бути протилежними. Зазначається, що трансформатори струму, вибрані з урахуванням струму короткого замикання або характеристик релейного захисту, не забезпечують точність обліку через підвищений коефіцієнт трансформації, що змушує встановлювати додатковий комплект трансформаторів струму або переносити лічильники в іншу точку мережі. Таким чином справжній коефіцієнт трансформації трансформатора струму дещо відрізняється від номінального, а вектор вторинного струму утворює з вектором первинного деякий кут. Похибка по напрузі проявляється у деякому зменшенні вторинної напруги при навантаженні. Кутова похибка характеризується деяким кутом між векторами первинної та вторинної напруги. Значення похибок залежать від потужності навантаження трансформатора. Гранично допустиме значення падіння напруги трансформатора визначає клас точності. Для кожного класу точності встановлюється номінальна потужність. Таким чином, трансформатор напруги в залежності від навантаження може працювати в різних класах точності. Зміна класів точності призводить до похибок у вимірах приладів обліку і потребує відповідної корекції. Стаття розкриває причини виникнення таких похибок, що дозволяє розробити методики, і як наслідок, створити прилади із запобігання описаних похибок приладів обліку.

АВТОМАТИЗОВАНІ СИСТЕМИ ОБЛІКУ І ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ У СИСТЕМАХ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ

Дмитро Анатолійович Гапон — 2021-12-30

В статті показано, що дані, які збирає автоматизована система комерційного обліку електричної енергії, є ансамблем добових реалізацій випадкових процесів електроспоживання системи електропостачання. Основна мета використання автоматизованих система комерційного та технічного обліку електричної енергії: зменшення витрат електроенергії. Але зазначається, що від операторів автоматизованих робочих місць залежить ефективність використання даних автоматизованої системи комерційного обліку електричної енергії, оперативність та правильне управління енергоспоживанням. Враховуючи стрімке вдосконалення як технічних засобів, так і математичних методів, які можуть бути застосовані для вирішення питань підвищення енергоефективності, виникає необхідність перетворення систем дистанційного збору даних із лічильників електричної енергії з урахуванням якості у вимірювально-інформаційну структуру, яка здатна не лише збирати дані з лічильників електричної енергії, а й їх аналізувати. Наводиться основний метод виявлення недообліку – балансовий метод. На базі балансового методу пропонується автоматично розраховувати небаланс по кожній секції лінії 6, 10 або 110 кВ головних знижувальних підстанцій та розподільних пунктів з урахуванням кількості та класів точності приладів комерційного та технічного обліку. Пропонується для зменшення втрат енергії і для зменшення оплати за електроенергію проводити вирівнювання навантаження на результатах розрахунків, виконаних автоматизованою системою комерційного обліку електричної енергії. В роботі запропоновано, що автоматизована система комерційного обліку електричної енергії має розраховувати коефіцієнти форми, максимуму, завантаження, а також інші морфометричні характеристики графіків електричних навантажень. В роботі звернуто увагу на низку проблем, що виникають при розрахунку зазначених параметрів: електронні лічильники вимірюють дані необхідні для розрахунків, але не із зазначеною дискретністю та, що головне, вимірювання ними даних параметрів якості електричної енергії метрологічно не атестовано, тому спиратися на такі дані можливо тільки як на довідникову інформацію.

ОСОБЛИВОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ СИЛОВИХ ВИСОКОВОЛЬТНИХ КАБЕЛІВ З ТЕРМОПЛАСТИЧНОЮ ПОЛІМЕРНОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ

Маргарита Володимирівна Гринишина — 2021-12-30

Проблема високовольтних силових кабелів пов’язана зі складними технологічними процесами при їх виготовленні. Одним із головних процесів при виготовленні кабелів є екструзія. Існує величезна кількість параметрів (відомих як параметри процесу) на стадії процесу екструзії, які безпосередньо впливають на експлуатаційні характеристики ізоляції та кабелю в цілому. Показано, що для процесу екструзії важливими параметрами процесу є температура розплаву, швидкість, тиск, швидкість шнека, тип використовуваної матриці та середовище, яке охолоджує, в екструдері. Температура та тиск розплаву є одними з найбільших важливих параметрів в процесі екструзії, які визначають продуктивність процесу. Проаналізовано вплив температури, тиску та коливання цих параметрів на комплекс механічних та електричних характеристик кабелю. Обгрунтовано, що реологічні властивості полімерів схильні до коливань, що викликає проблеми у виробництві кабелів. Складність і велика кількість параметрів процесу, задіяних у виробництві кабелів, ускладнюють процес контролю, що обумовлює появу дефектів у вигляді тріщин, повітряних порожнин і пористості у високовольтній ізоляції. Аргументовано, що застосування силових кабелів з ізоляцією на основі зшитого поліетилену, який є термореактивним ізоляційним матеріалом, обумовлює складність перероблення як на стадії виготовлення, так і в експлуатації. Розвиток технології впровадження термопластичної ізоляції забезпечує вторинну переробку для реалізації проєктів силових високовольтних кабелів змінного та постійного струму. Представлено порівняльний аналіз електричних, механічних та теплових параметрів зшитого поліетилену та термопластичних полімерів в якості альтернативи термореактивної ізоляції. В статті наводяться особливості технологічного режиму екструзії полімерної ізоляції на основі термоеластопластів, зокрема, композицій поліпропілену, що обумовлено меншими значення коефіцієнту теплопровідності таких композицій в порівнянні з поліетиленом. Представлено моделі для опису процесу екструзії термопластичної ізоляції силових кабелів з урахуванням потоку розплавленого полімерного матеріалу як неньютонівської, нестисливої, ізотермічної рідини. Обґрунтовано необхідність визначення значень коефіцієнтів теплопровідності та теплоємності композицій на основі поліпропілену в широкому діапазоні температури для зменшення вірогідності технологічних дефектів у високовольтній термопластичній ізоляції.

МОДЕЛЮВАННЯ ПОВІТРЯНИХ ЛІНІЙ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧІ З КОМПОЗИТНИМИ ОПОРАМИ ДЛЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ НАПРУГОЮ 10-330 кВ

Оксана Миколаївна Довгалюк — 2021-12-30

На основі виконаного аналізу технічного стану обладнання електричних мереж ОЕС України, сучасних викликів щодо розвитку енергетичної галузі та наявних технологій передачі електричної енергії обґрунтувана доцільність використання опор з композитних матеріалів при розвитку, реконструкції або проектуванні нових повітряних ліній електропередачі для електричних мереж різного класу напруги. Досліджено особливості експлуатації опор із композитних матеріалів в електричних мережах багатьох країн світу, на основі чого сформульоівані перспективи використання таких опор для повітряних ліній електропередачі в Україні в умовах запровадженого лібералізованого ринку електричної енергії, а також вимоги щодо показників роботи електричних мереж із досліджуваними опорами із композитних матеріалів. Для дослідження впливу конструкції та типу композитного матеріалу опор на показники режимів роботи електричних мереж був виконаний механічний розрахунок опор, який проводився методом граничних станів. З використанням одержаних результатів розроблені математичні моделі повітряних ліній електропередачі з композитними опорами для електричних мереж напругою 10-330 кВ, які враховують технічні характеристики елементів повітряних ліній електропередачі та умови роботи електричних мереж, а також дозволяють виконати прогнозування кількісних показників подальшої експлуатації досліджуваних електричних мереж. Запропоновані математичні моделі використані для розробки алгоритму розрахунку втрат електричної енергії в повітряних лініях електропередачі, який дозволяє врахувати специфіку параметрів повітряної лінії електропередачі в залежності від типу опор, що використовуються. Здійснено розрахунок величини втрат електричної енергії в електричних мережах 330, 110 та 35 кВ, які виконані повітряними лініями електропередачі з використанням залізобетонних, металевих та композитних опор. Аналіз отриманих результатів показав, що використання опор з композитних матеріалів дає можливість знизити втрати при передачі електричної енергії повітряними лініями електропередачі, зменшити охоронну зону для досліджуваних повітряних ліній електропередачі, а аткож знизити витрати на обслуговування і підвищити ефективність роботи електричних мереж.

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОМИСЛОВИХ ЗРАЗКІВ КРЕМНІЄВИХ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Роман Валентинович Зайцев — 2021-12-30

Досліджено можливості збільшення коефіцієнта корисної дії більш ніж на 20 % для кремнієвих фотоелектричних перетворювачів китайського виробництва. Методом комп’ютерного моделювання встановлено, що час життя нерівноважних носіїв заряду, який становить 520 мкс, реалізований у таких фотоелектричних перетворювачах, не обмежує можливості підвищення їх ефективності більш ніж на 20 %. Показано, що збільшення щільності фотоструму до 43,1 мА/см² призводить до збільшення коефіцієнта корисної дії до 20,1 %, а зниження густини струму насичення діода до 3,1∙10^–14 А/см² призводить до збільшення коефіцієнта корисної дії до 20,4 %. Одночасна зміна цих характеристик діода призводить до збільшення коефіцієнта корисної дії до 23,1 %. У роботі запропоновано фізико-технологічні підходи до збільшення густини фотоструму та зменшення густини струму насичення діода у готових фотоелектричних перетворювачах. У статті проведено дослідження впливу робочої температури на коефіцієнт корисної дії кристалічних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів. Показано, що з підвищенням робочої температури відносне зниження коефіцієнта корисної дії монокристалічних приладів становить –0,7 відносних %/C, що значно вище, ніж у конструкціях приладів європейського виробництва та за рахунок нетрадиційного зниження короткого замикання. Математичне моделювання впливу характеристик світлодіодів на коефіцієнт корисної дії кристалічних кремнієвих сонячних батарей показало, що зниження коефіцієнта корисної дії конструкцій приладів при підвищенні робочої температури обумовлено не тільки збільшенням густини струму насичення діода з 10^-13 А до 3·10^-13 А, що становить 300 %, а також за рахунок зниження опору шунта з 2,5 кОм до 1,5 кОм. Дослідження впливу робочої температури на струм насичення діода показало, що висота потенціального бар’єру в досліджуваних кремнієвих фотоелектричних перетворювачах становить 0,87 еВ, що обумовлено недостатнім рівнем легування основного матеріалу. Обмежена висота потенційного бар’єру призводить до нетрадиційного зниження опору шунта при підвищенні робочої температури.

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕВАНТАЖУВАЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ СИЛОВИХ КАБЕЛІВ СЕРЕДНЬОЇ НАПРУГИ ІЗ ЗШИТОЮ ПОЛІЕТИЛЕНОВОЮ ІЗОЛЯЦІЄЮ

Володимир Михайлович Золотарьов — 2021-12-30

В роботі розглянуто сучасний нормативний підхід до визначення навантажувальної здатності силових кабелів зі зшитою поліетиленовою ізоляцією та запропоновано застосування моделі визначення допустимих струмових навантажень конкретного кабелю середньої напруги з ізоляцією зі зшитого поліетилену для дослідження його перевантажувальної здатності в умовах виробництва, розглянуто результати її експериментальної перевірки. Силові кабелі з ізоляцією зі зшитого поліетилену мають безперечні переваги перед традиційними маслонаповненими, що зумовило їх повсюдне застосування у всіх розвинених країнах і помітне скорочення використання інших типів кабелю. Актуальність дослідження зумовлена зміною методів випробування напругою кабелів зі зшитою поліетиленовою ізоляцією в усьому світі. В стаціонарному тепловому режимі (100 % коефіцієнт навантаження) за діючими міжнародними стандартами IEC (серія 60287) навантажувальну здатність визначають як гранично допустимий (номінальний) струм, який залежить від теплофізичних параметрів конкретного кабелю і від нормованих теплофізичних параметрів навколишнього середовища. Запропоновано використання математичної моделі, яка за рахунок поєднання конструктивних і теплофізичних параметрів конкретного кабелю з умовами зовнішнього середовища при прокладанні в повітрі, дозволяє визначати параметри стаціонарного теплового режиму кабелю за будь-якого тривалого струму навантаження. Показана можливість побудови номограм для визначення параметрів допустимих перевантажень кабелів зі зшитою поліетиленовою ізоляцією середньої напруги в діапазоні тривалих струмових навантажень в експлуатації. Робота спрямована на подальші дослідження конструкції зовнішніх захисних покривів кабелю зі зшитою поліетиленовою ізоляцією на динаміку його нагрівання з метою створення методу випробувань на перевантажувальну здатність конкретного кабелю з ізоляцією із зшитого поліетилену в умовах виробництва.

ВПЛИВ КЛАПАННОГО ЕФЕКТУ НА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ ШАРОВИХ ГАЗОДИНАМІЧНИХ СИСТЕМ

Сергій Вікторович Крівенко — 2021-12-30

На енергоефективність газодинамічних процесів шарових систем істотно впливають напрямок руху газів та властивості зернистого шару, які мають бути враховані у формулі Дарсі-Вейсбаха. Складний вигляд закономірності коефіцієнта опору від частки дрібних фракцій у шарі обґрунтовується хвилеподібною формою каналів, у яких розміщуються дрібні фракції. Однак, дане явище також може бути обґрунтовано примусовою міграцією дрібних частинок усередині порожнин шару під впливом рухомих газів. Досліджено вплив рухливості частинок під час продування повітрям розділених та змішаних зернистих шарів на коефіцієнт газодинамічного опору. Для монофракційних шарів спостерігали плавне зниження величини коефіцієнта зі збільшенням витрати повітря до переходу шару в режим псевдозрідження. Для розділених шарів виявлено злами, зумовлені формуванням малопроникної ділянки за рахунок розміщення дрібних фракцій у вузьких місцях між великими. Наявність такого зламу залежить від співвідношення розмірів частинок та їхньої шорсткості. Збільшення тиску під шаром забезпечує поступове переміщення дрібних фракцій вгору порожнечами між великими фракціями. Зверху утворювався шар із дрібних кульок та втрати тиску в усьому шарі стали приблизно вдвічі вищими, ніж для розділеного шару. Це зумовлено тим, що дрібні кульки повністю заповнюють порожнечі між великими котунами та загальна висота стовпа кульок у каналах шару збільшилася приблизно вдвічі по відношенню до вихідної висоти засипки. Крім того, збільшується звивистість каналів між великими котунами, якими проходить повітря, що сприяє підвищенню газодинамічного опору шару. Для монофракційної шихти дрібних кульок при критичному перепаді тиску газу спостерігається різкий перехід у «киплячий» шар, відбуваються пульсації тиску ±100 Па та витрати ±0,365·10^–3 м³/с. Після формування каналів-гейзерів відбувається мимовільне різке падіння перепаду. Жорстка структура шару, яка характерна для агломераційного процесу, забезпечує рівномірний рух газів в шарі, але клапанний ефект виникає при вмісті дрібних фракцій в шарі більше 3,1 % та підвищує енергозатрати на рух газів в шарі на 30 %. При цьому відбувається розміщення двох і більше частинок в таких порожнинах між великими та які утримуються в них за рахунок сил тертя. Усунення малопроникного бар’єру дозволить підвищити висоту спікного шару з 400 до
550–600 мм та знизити витрати твердого палива шихти на 10–15 % за рахунок його перерозподілу по висоті.

РОЗПІЗНАВАННЯ ПЕРЕГРІВІВ У РІЗНИХ ДІАПАЗОНАХ ТЕМПЕРАТУР У ВИСОКОВОЛЬТНОМУ МАСЛОНАПОВНЕНОМУ ОБЛАДНАННІ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ АНАЛІЗУ РОЗЧИНЕНИХ У МАСЛІ ГАЗІВ

Олексій Сергійович Кулик — 2021-12-30

Однією з істотних проблем, які багато в чому визначають експлуатаційну надійність силових трансформаторів і, в ряді випадків, надійність постачання споживачів електричною енергією, є старіння парку даного обладнання. Тому завдання розробки, а також удосконалення методів діагностики, що дозволяють виявляти пошкодження високовольтних силових трансформаторів на ранній стадії, є актуальним і практично значущим. Одним з найбільш поширених методів неруйнівної діагностики, який дозволяє виявити до 90 % всіх можливих дефектів високовольтного маслонаповненого обладнання, є метод аналізу розчинених в маслі газів. На сьогодні, для розпізнавання перегрівів у різних діапазонах температур за результатами аналізу розчинених в маслі газів більшістю відомих стандартів і авторських методик використовується кілька діагностичних критеріїв. Проте в даних стандартах і методиках наявні суттєві відмінності в значеннях діагностичних критеріїв, що не дозволяють однозначно поставити діагноз для одних і тих же даних при використанні різних стандартів та методик. Оскільки локальні перегріви окремих ділянок ізоляції і елементів конструкції високовольтних силових трансформаторів є одним з поширених типів дефектів і такі дефекти можуть розвиватися протягом декількох років, їх розвиток представляє серйозну небезпеку для ізоляції трансформаторів. Тому для комплексного аналізу були використані результати аналізу розчинених в маслі газів по 1278 високовольтним силовим трансформаторам, в яких були виявлені перегріви в різних діапазонах температур. Аналізовані 1278 значень були розбиті на 31 масив даних з близькими значеннями відсоткового вмісту газів, відношеннями газів і зі схожими номограмами дефектів. На основі аналізу достовірності розпізнавання перегрівів у різних діапазонах температур з використанням норм та критеріїв, регламентованих найвідомішими стандартами та методиками, встановлено, що найбільшу достовірність розпізнавання забезпечують значення відношень газів, що регламентуються стандартом IEC 60599 та національним стандартом України.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ФАКТОРІВ ВПЛИВУ НА ГЕНЕРАЦІЮ СОНЯЧНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Олександр Миколайович Мороз — 2021-12-30

Інтенсивний розвиток мережевих сонячних електростанцій призводить до значних проблем управління та надійності роботи електричних систем країни, внаслідок стохастичного характеру погодних явищ, таких як хмарність, інтенсивність опадів, туман та інші. Тому прогнозування генерації сонячними електростанціями є важливим питанням як підвищення надійності роботи електричної системи країни, так і підвищення економічної ефективності функціонування сонячних електростанцій за рахунок зменшення штрафів за небаланси електричної енергії. Проведено експериментальні дослідження визначення впливу природних факторів, таких як кут сонця над горизонтом, температури фотоелектричних модулів, сонячної радіації, забрудненості поверхні модулів, кількості опадів та туману на генерацію мережевої сонячної електростанції потужністю 2,4 МВт, яка розміщена в Харківській області України. В результаті дослідження встановлена чітка залежність між активною потужністю сонячної станції, сонячною радіацією, ультрафіолетовим індексом та температурою поверхні фотоелектричного модуля. Встановлено характер зміни сонячної радіації впродовж 12 місяців спостережень, мінімальна сонячна радіація 200 Вт/м²зафіксована у грудні, максимальна сонячна радіація біля 1200 Вт/м² спостерігалась у червні. На основі статистичних даних отримані залежності для визначення різниці температури поверхні сонячних панелей і температури повітря у ясний день в залежності від годинної генерації сонячної електростанції. Встановлено, що генерація сонячної електростанції при 100 % хмарності складає від 20 до 28 % у порівнянні з генерацією у ясні дні. Значний вплив на генерацію сонячної електростанції має забрудненість поверхні фотоелектричних модулів та їх очищення в залежності від інтенсивності та кількості опадів. Значний вплив на генерацію має туман, що зменшує генерацію на 50 %. Отримані графіки питомої генерації (відношення годинної генерації сонячної електростанції, в перерахунку на температуру сонячних панелей 25 °С, до середньогодинного кута сонця над горизонтом), використання яких допоможе визначати генерацію сонячної електростанції для кожної години впродовж дня. Для підвищення точності прогнозування генерації графіки питомої генерації поділені на два проміжки: перша та друга половини дня. Аналіз графіків питомої потужності дозволяє стверджувати, що питома генерація змінюється впродовж року, що пояснюється різною температурою повітря, вмістом пари в повітрі та товщиною шару повітря, через який проходять сонячні промені, в залежності від розміщення сонця над горизонтом.

ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ІНТЕНСИВНОСТІ СТАРІННЯ МАСЛА В ТРАНСФОРМАТОРАХ НАПРУГОЮ 110 кВ ТА АВТОТРАНСФОРМАТОРАХ НАПРУГОЮ 330 кВ

Сергій Григорович Пономаренко — 2021-12-30

Наведено результати аналізу інтенсивності старіння трансформаторних масел у трансформаторах напругою 110 кВ та автотрансформаторах напругою 330 кВ. Використовуючи математичну модель дисперсійного аналізу лінійної регресії (модель коваріаційного аналізу), стосовно результатів періодичних випробувань по 231 трансформатору напругою 110 кВ і 49 автотрансформаторам напругою 330 кВ виконана перевірка кількох статистичних гіпотез, що дозволяють оцінити інтенсивність дрейфу показників масел в процесі тривалої експлуатації трансформаторів. В якості статистичних гіпотез перевірялися: гіпотеза про наявність значущого систематичного зміщення значень показників масел у процесі тривалої експлуатації, що дозволяє оцінити наявність процесів старіння трансформаторних масел. Гіпотеза про рівність частинних кутових коефіцієнтів для регресійних моделей, побудованих за результатами випробувань для кожного з показників масел в окремих трансформаторах (лінії регресії паралельні), що дозволяє оцінити наявність відмінностей в інтенсивності старіння масел в окремих трансформаторах. Гіпотеза про те, що групові середні лежать на прямій, тобто дрейф показників масел у різних трансформаторах відбувається з однаковою швидкістю. Гіпотеза про рівність частинних вільних членів для регресійних моделей, побудованих за результатами випробувань для кожного з показників масла в окремих трансформаторах, що дозволяє оцінити наявність відмінностей у значеннях показників масел у момент введення трансформаторів в експлуатацію, тобто фактично наявність відмінностей в якості масла, що заливається. За результатами аналізу як для трансформаторів 110 кВ, так і для автотрансформаторів 330 кВ встановлено наявність не тільки адитивного та мультиплікативного зміщення між окремими рядами показників масел, а й значущу систематичну складову, що свідчить про старіння трансформаторних масел в аналізованих трансформаторах. При цьому встановлено, що інтенсивність дрейфу показників масла в трансформаторах 110 кВ та в автотрансформаторах 330 кВ суттєво відрізняється, що необхідно враховувати при побудові моделей для раннього розпізнавання стану трансформаторних масел за результатами періодичних випробувань.

ПОШУК ОПТИМАЛЬНОГО ЗАСОБУ МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ ІЗОЛЯТОРІВ

Сергій Юрійович Шевченко — 2021-12-30

У статті проаналізовано програмні засоби моделювання електричного поля ізоляторів. Необхідність вирішення даного питання диктується тим, що неточність програм моделювання дозволяє стверджувати, що покращення імітаційної моделі не може бути виконане правильно через наявність похибок розрахунку в самій програмі. Розглянуто конструктивні особливості різних типів ізоляторів, в першу чергу найбільш розповсюджених та використовуваних – фарфорових та скляних. Описано зміну електричного поля в скляному та фарфоровому ізоляторі, що працюють в мережі змінного струму без забруднень. Проаналізовано чисельні методи розрахунку як-от метод граничних елементів, метод скінчених елементів, метод інтегральних рівнянь та інші. Виявлено, що з погляду функціональних можливостей та доцільності застосування для вирішення польових задач, актуальних для електроенергетики, найбільш універсальними є метод скінчених різниць та метод скінчених елементів. Наведено результати моделювання електричного поля ізоляторів в програмах Ansoft Maxwell, CST EM Studio та Elcut. Серед проаналізованих програм – Ansys, FEMLAB, Ansoft Maxwell, CST EM Studio, IES Coulomb та Elcut, відштовхуючись від твердження про те, що необхідно для вирішення поставленої задачі вирішити диференційне рівняння, було обрано програми Ansoft Maxwell та CST EM, в яких реалізовано чисельний метод скінчених елементів. Виявлено, який з пакетів більше задовольняє поставленим вимогам по точності (шляхом розрахунку похибки відхилення математичного моделювання та експериментальних даних) та з точки зору методу, що закладено в алгоритмах програми. Проведено порівняння експериментальних даних з результатами імітаційного моделювання. Виявлена можливість діагностування ізоляторів по параметрам напруженості електричного поля.

РОЗРОБКА НАКОПИЧУВАЧА ЕНЕРГІЇ ДЛЯ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ГЕНЕРАТОРА ІМПУЛЬСІВ

Дмитро Сергійович Шкода — 2021-12-30

Останнім часом при розробці накопичувачів енергії багато уваги приділяється електромагнітній стабільності, що надає можливість підтримувати робочі параметри під час впливу електромагнітних імпульсів та наслідків від їх взаємодії. Питання забезпечення електромагнітної стабільності радіоелектронного обладнання, пов’язане з тим, що під впливом електромагнітних імпульсів в електронних та електричних схемах виникають імпульси перенапруги, в залежності від характеру походження електромагнітних імпульсів, відстані від джерела електромагнітних імпульсів до компонентів апаратного комплексу значення амплітуди, час наростання і тривалість імпульсів можуть змінюватися. Саме тому для сучасних досліджень залишається надзвичайно актуальним завдання створення високоенергетичних генераторів електромагнітних імпульсів. Основним напрямком використання таких генераторів є вивчення взаємодії тонкоплівкових шарів напівпровідникових матеріалів з високоенергетичними електромагнітними імпульсами та розробка елементів захисту радіоелектронного обладнання від впливу електромагнітних імпульсів. Створено набір генераторів електромагнітних імпульсів, застосування яких дозволить вивчити властивості елементів захисту радіоелектронного обладнання в широкому діапазоні потужностей електромагнітних імпульсів. У комплексі з раніше розробленою конструкцією генератора електромагнітних імпульсів це дозволить впливати на досліджувані зразки радіоелектронного обладнання та елементів захисту шляхом комплексної дії електромагнітних імпульсів, які матимуть як високий час, так і велику енергію. Для забезпечення комфортної та безпечної дослідницької роботи пристрій має візуальну індикацію режимів роботи, зокрема режимів генерації високої постійної напруги. Розроблений пристрій керування та джерела живлення для високоенергетичного генератора електромагнітних імпульсів відповідає вимогам, встановленим під час його розробки, і може бути застосований для вивчення особливостей взаємодії напівпровідникових тонкоплівкових шарів з високоенергетичними електромагнітними імпульсами.