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

Адаптаційні підходи в навчальному процесі фахівців-електроенергетиків в умовах воєнного стану

Галина Вікторівна Омеляненко — 2022-12-30

Проаналізовано умови підготовки фахівців–електроенергетиків в умовах воєнного стану в Україні. Представлено доцільність корегування відповідно умов освітнього процесу навчально-методичного комплексу дисциплін з підготовки здобувачів вищої освіти за спеціальністю 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка», а саме спеціалізації «Електричні системи та мережі». Запропоновано адаптаційні підходи, які підвищать рівень підготовки здобувачів вищої освіти для електроенергетичної галузі України за рахунок оптимізації навчального процесу шляхом поєднання цифрових технологій й відповідних змін в навчально-методичному комплексі дисциплін, що дозволить підвищити ефективність післявоєнного відновлювального процесу об’єктів електричних мереж та встановлення балансової надійності в об’єднаній енергетичній системі країни.

Впровадження новітніх пристроїв для низьковольтних розподільних мереж

Петер Гольчик — 2022-12-31

Тенденції до розвитку розповсюдженої генерації несуть в собі ряд проблем, пов’язаних з дотриманням якості електричної енергії в мережах середньої і, особливо, в мережах низької напруги. У статті розглянуто питання впливу моніторингу якості електроенергії низьких класів напруги на надійність роботи електричної мережі. Розглянуто стандарти MSZ EN 50160 та Hungarian Energy and Utilities Regulatory Office (MEKH). Відповідно до MSZ EN 50160 розглянуто основні показники якості електричної енергії такі як частота, коливання напруги, швидкі зміни напруги, доза флікера, провали напруги, короткочасні перебої напруги, тривалі перебої напруги, тимчасові перенапруги промислової частоти, перехідні перенапруги між струмопровідними провідниками та землею напруги, гармонічні коливання напруги, інтергармонічні коливання напруги. Відповідно до Hungarian Energy and Utilities Regulatory Office розраховані SAIFI та SAIDI. Проаналізовано пристрої моніторингу якості електроенергії низьковольтних мереж. Розглянуто фактори, що впливають на вибір місця встановлення пристроїв моніторингу. Представлено, як системи моніторингу якості електроенергії можуть зменшити кількість несправностей у мережі 0,4 кВ та розглянуто вплив систем моніторингу на якість електричної енергії у мережах 6–35 кВ.

До питання про оптимізацію якості енергії у міських електричних мережах

Пилип Парамонович Говоров — 2022-12-30

Як відомо, забезпечення встановлених ДСТУ показників якості енергії в електричних мережах є надважливим завданням. Неоднорідність графіків навантаження споживачів міських електричних мереж у поєднанні з розмаїттям їх режимів роботи, пофазною відмінністю, нелінійністю та високою швидкістю зміни параметрів зумовили те, що несиметрія, несинусоїдність, відхилення та коливання напруги в мережах стали постійно діючими факторами, що істотно знижують якість роботи мереж та підключених до них споживачів. Крім того, дослідження коефіцієнта потужності у міських електричних мережах вказують на низький рівень компенсації реактивної потужності в них. Цим зумовлюється високе значення втрат напруги та потужності в мережах, технічна потреба та економічна доцільність компенсації реактивної потужності в них. Дослідження, проведені у ХНУМГ ім. О.М. Бекетова, свідчать про те, що основними стратегічними напрямками підвищення якості енергії у міських електричних мережах є регулювання напруги з урахуванням комплексного вирішення питань підвищення якості енергії та компенсації реактивної потужності. При цьому технічне вирішення проблеми знаходиться на шляху багаторівневої корекції показників якості шляхом застосування додаткових пристроїв багатофункціонального призначення, найважливіше місце серед яких займають пристрої, виконані на базі вольтододавальних трансформаторів з тиристорним керуванням. У роботі представлено результати цього дослідження. Також визначено, що у поєднанні з автоматизацією процесу управління багатофункціональними пристроями застосування багатофункціональних перетворювачів в цілому дозволяє вирішувати питання оптимізації режимів роботи систем електропостачання міст. Застосування результатів дослідження загалом дозволяє вирішувати питання оптимізації якості енергії у міських електричних мережах.

Можливості використання програмного забезпечення PSS®SINCAL, ETAP, PowerFactory для моделювання електричних мереж

Сергій Юрійович Шевченко — 2022-12-30

Стаття присвячена моделюванню електричних мереж. Розглянуто переваги та недоліки програм моделювання. Особливу увагу приділено принципам роботи програми. Розглянуто такі програми як PSS®SINCAL фірми Siemens, ETAP фірми Operation Technology та PowerFactory фірми DIgSILENT GmbH. В роботі були розглянуті програми і прийнято рішення, що найбільш вдалим рішенням для роботи з моделюванням електричної мережі та впливу компенсаторів на електричну мережу буде використання програмного забезпечення PSS®SINCAL фірми Siemens. Платформа PSS®SINCAL вже більше 20 років дозволяє інженерам вирішувати різні завдання систем розподілу, передачі та експлуатації промислових енергосистем, включаючи підтримку високої надійності електропостачання та ефективну інтеграцію розподілених джерел генерації. За допомогою модульної платформи PSS®SINCAL інженери з планування та експлуатації енергосистем отримують підтримку протягом усього робочого процесу, від імпорту вихідних даних і моделювання мережі (з урахуванням минулих, поточних і майбутніх умов) через базові і розширені розрахунки до великомасштабних симуляцій і захисту аналізу, а також інших методів в часовій і частотній областях. PSS®SINCAL використовується в більш ніж 100 країнах світу інженерами з планування передачі та розподілу електроенергії, інженерами з захисту, консультантами, операторами електростанцій та промислових мереж, інженерами з планування операцій, ІТ-фахівцями, дослідниками тощо. Завдяки своїй модульній конструкції PSS®SINCAL має високу гнучкість і можливість налаштування. Він пропонує широкий спектр функцій аналізу для планування, проектування та експлуатації енергосистем, дозволяючи моделювати і досліджувати: якість електроенергії, стабільність частоти, взаємозв'язок розподіленої генерації, координацію захисту, відновлення потужності, економічні проектні рішення і багато іншого.

Електричні властивості базової плівкової гетеросистеми Al/ITO/polyimide/Al2O3 ємнісного перетворювача

Лілія Василівна Зайцева — 2022-12-30

На основі проведених структурних досліджень тонких плівок було розроблено конструктивно-технологічне рішення та створено тонкоплівковий ємнісний перетворювач для проведення акустичного контролю металевих виробів ємнісним способом. Визначено, що поряд із кристалічною структурою шарів, необхідно також контролювати поверхневий електричний опір провідного шару ITO, значення якого визначають можливість використання такої структури у якості обкладки ємнісного перетворювача без значних втрат корисного сигналу, та діелектричну проникність шару Al₂O₃, котра суттєво впливає саме на величину корисного сигналу. За допомогою чотирьохзондового методу встановлено, що поверхневий електроопір (R□) шарів ITO при оптимальних режимах осадження дорівнює 8‑15 Oм/□. Дослідження електрорушійної сили Холла свідчать про те, що одержане значення питомого електроопору зумовлене концентрацією основних носіїв заряду від близько 8,3·10²⁰ cм^–3 та рухливістю основних носіїв заряду на рівні 44 cм²/(В·с). Результати досліджень діелектричних властивостей свідчать про зростання величини діелектричної проникності структури поліімід/Al₂O₃, котра складає 8,5–11,5 відн. од., відносно поліімідної плівки (3–3,9 відн. од.) приблизно у 3 рази при частотах збуджуючого сигналу у діапазоні 10 Гц–10 МГц. Зазначена обставина підтверджує припущення щодо можливості збільшення діелектричної проникності прошарку за рахунок нанесення на поліімідну плівку тонкого шару Al₂O₃. Для підтвердження можливості збільшення чутливості методу за рахунок використання ємнісного перетворювача на основі структури Al/ITO/поліімід/Al₂O₃ у порівняння з класичними перетворювачами було проведено дослідження серії зразків із алюмінію на частоті коливань 2,5 МГц. Величина прийнятого сигналу у разі використання тонкоплівкового перетворювача зростає у 7,6 рази у порівнянні з класичним перетворювачем, що добре корелює з проведеними вимірюваннями діелектричної проникності діелектричних шарів та з урахуванням зменшення товщини діелектричного прошарку. Таким чином, експериментально підтверджується зростання чутливості ємнісного методу у разі використання тонкоплівкових ємнісних перетворювачів на основі структури Al/ITO/поліімід/Al₂O₃. Максимальна амплітуда акустичного зміщення припадає на край пластини, тому були проведені дослідження електродів з вирізами, що дало змогу підвищити акустичний сигнал вдвічі для великого внутрішнього вирізу.

Програмно-апаратний комплекс діагностування технічного стану обладнання фотоелектричних станцій

Вячеслав Олександрович Комар — 2022-12-30

В роботі розроблено програмно-апаратний комплекс діагностування обладнання фотоелектричних станцій. В першу чергу в статті йдеться про оцінку технічного стану фотоелектричних модулів як елемента, який найбільше впливає на генерування фотоелектричних станцій. Оскільки фотоелектричні станції займають чільне місце в балансі потужності та електроенергії електроенергетичних систем, то важливо знати, яку кількість електроенергії і за яким можливим графіком в часі фотоелектричні станції можуть її генерувати. Крім інсоляції сонця іншою причиною несталого генерування фотоелектричних станцій є їх технічний стан, зокрема поступова деградація фотоелектричних модулів. Для участі фотоелектричних станцій в процесі балансування потужності й електроенергії в електроенергетичних системах необхідно знати їх поточний технічний стан і перспективи щодо можливості вироблення електроенергії в заданому об’ємі. Для планування виробітки електроенергії і планування доцільності витрат на ремонт фотоелектричних станцій зацікавлений також інвестор. Зокрема йдеться про залишковий ресурс фотоелектричних станцій по відношенню до розрахункового на початок експлуатації. Це висуває відповідні умови щодо методів і засобів оцінювання технічного стану фотоелектричних станцій. Щодо фотоелектричних модулів, то необхідно контролювати коефіцієнти-індикатори, які вказують на аномальну роботу фотоелектричних модулів у стрінгу і фактично сигналізують на наявність проблеми в його роботі. Програмно-апаратний комплекс дозволяє перевірити контактні з’єднання фотоелектричних станцій і визначити чи опори контактних з’єднань знаходяться в допустимих межах. За необхідності формується база даних з використанням квадрокоптера. За допомогою тепловізора і пірометра здійснюється обстеження фотоелектричних модулів на предмет дефектів, що проявляються областями з температурою, вищою за температуру справних фотоелектричних модулів. На фотоелектричних модулях виявляються дефекти елементів, які обстежуються детальніше. Для визначення міри працездатності фотоелектричних модулів формується база даних для побудови і порівняння окремих вольт-амперних характеристик. Інформація передається на ноутбук, де обробляється розробленою програмою для виявлення та діагностування появи дефектів або несправностей, а також визначаються коефіцієнти залишкового ресурсу і коефіцієнти-індикатори аномальної роботи фотоелектричних модулів. За цими результатами приймається рішення щодо доцільності подальшої експлуатації фотоелектричних модулів. Визначається можливість їх відновлення або повної заміни.

Розробка методу для розпізнавання типу дефекту за результатами аналізу розчинених в маслі газів з використанням комплексу діагностичних критеріїв

Олексій Сергійович Кулик — 2022-12-30

Забезпечення надійного постачання електричної енергії як населенню, так і промисловості є основним завданням електроенергетики. Одним із факторів, який впливає на експлуатаційну надійність електроенергетичного обладнання, є старіння обладнання, яке спостерігається у кожній країні. Найбільш використовуваним серед неруйнівних методів діагностики стану високовольтного маслонаповненого обладнання є аналіз розчинених в маслі газів. Використовуючи значення відношень газів, відсотковий вміст газів, а також значення відношень газів до газу з максимальним вмістом, за допомогою більшості методів інтерпретації результатів аналізу розчинених в маслі газів можна розпізнавати дефекти електричного і термічного типу, а деякі метод дозволяють розпізнавати також і дефекти комбінованого типу. Однак достовірність розпізнавання дефектів різними методами стосовно одних і тих же даних суттєво відрізняється. Використання лише одного із діагностичних критеріїв для розпізнавання дефектів різного типу не завжди дозволяє поставити правильний діагноз. Таким чином питання розробки методу для розпізнавання типу дефекту за результатами аналізу розчинених в маслі газів з одночасним використанням комплексу діагностичних критеріїв є актуальним та має практичне значення. Оскільки значення діагностичних критеріїв у діагностичному просторі різняться для різних типів дефектів, то для розпізнавання доцільно використовувати детерміністські методи розпізнавання, зокрема методи розпізнавання за відстанню. Для розпізнавання типу дефекту запропоновано використовувати метод мінімальної відстані до множини, що дає змогу не тільки розпізнати тип дефекту, а й виявити однотипний об’єкт із найближчим газовмістом і з відомими причинами появи дефекту. Для практичної реалізації методу розроблено алгоритм, який ґрунтується на спільному використанні методу ключового газу та відношень характерних газів. Наведений приклад практичного використання розробленого методу показав його високу ефективність порівняно з наявними методами інтерпретації результатів аналізу розчинених в маслі газів.

Аналіз особливостей старіння трансформаторних масел в автотрансформаторах 330 кВ протягом тривалої експлуатації

Сергій Григорович Пономаренко — 2022-12-30

Виконано аналіз залежностей показників трансформаторних масел в баках автотрансформаторів напругою 330 кВ від тривалості експлуатації. Наведено опис моделі дисперсійного аналізу для перевірки залежностей на відхилення від лінійності. Показано, що оцінити наявність нелінійності в залежностях показників масла можна шляхом порівняння значення середнього квадрата відхилення від лінійності зі значенням залишкового середнього квадрата, які визначаються в рамках дисперсійного розкладання. На прикладі такого показника як вміст в маслі органічних кислот, використовуючи результати експлуатаційних випробувань по 48 автотрансформаторам 330 кВ з трьох областей України, проаналізовано вплив похибок і грубих промахів в результатах вимірювань на характер залежностей показників. Виділено найбільш характерні типи спотворень. Встановлено, що в переважній більшості випадків причинами спотворень залежностей показників масел від тривалості експлуатації було втручання оперативного персоналу з метою інгібування процесів старіння масел (заміна силікагелю, додавання антиокислювальних присадок, сушка масла, доливання або заміна масел). Це свідчить про високий рівень організації експлуатаційного контролю стану трансформаторних масел в енергосистемах України. Для виділення спотворених і стаціонарних залежностей запропоновано використовувати модель регресійного аналізу показників масла на тривалість експлуатації. А для зниження неоднорідності результатів випробувань стану масел, яка обумовлена відмінностями в конструкції автотрансформаторів і режимах їх експлуатації, був використаний критерій максимуму кореляційного відношення. За результатами аналізу на відхилення від лінійності встановлено, що на спостережуваних інтервалах експлуатації (більше 30 років) швидкість дрейфу значень показників масла в баках автотрансформаторів 330 кВ не є постійною. На аналізованих залежностях показників від часу експлуатації виділено дві характерних ділянки, що відповідають певним стадіям процесу окислення – період індукції (проміжок часу, протягом якого значення показників практично не змінюються) і період самоприскорення (проміжок часу, протягом якого спостерігається інтенсивна зміна значень показників масел). При цьому тривалість індукційного періоду та інтенсивність зміни значень показників значимо відрізняється навіть для одного показника і залежать від режимів роботи трансформатора та умов експлуатації.

Шляхи забезпечення коефіцієнту згасання у межах нормованих значень кабелів на основі одинокої екранованої крученої пари для промислових мереж Ethernet

Олег Анатолійович Пушкар — 2022-12-30

В останні роки в концепції Industry 4.0 та IioT спостерігається інтенсивний перехід промислових мереж на провідну передачу даних на базі сімейства технологій Ethernet. Наведена хронологія розроблення міжнародних стандартів промислового Ethernet та відповідних кабелів на основі кручених пар доводить перспективність застосування одинокої крученої пари з можливістю передачі сигналу живлення, що значно знижує кількість, вагу та вартість кабелів у мережі. Відповідно до міжнародних стандартів на кабелі для промислового Ethernet екрановані рішення на основі одинокої екранованої крученої пари повинні забезпечувати передачу цифрових сигналів в діапазоні частоти до 20 МГц на відстань до 1 кілометра. Необхідність застосування екранованої крученої пари обумовлена умовами експлуатації при дії сильних електромагнітних завад. Виконаний аналітичний огляд наукових публікацій показує, що екрановані конструкції кабелів мають підвищенні значення робочої ємності. На підставі чисельного моделювання електричного поля у крученій парі визначено значення робочої ємності залежно від конструктивного виконання екрану. Показано, що екранована кручена пара має значно більші (на 80 %) значення робочої ємності порівняно з неекранованою за умови однакової товщини ізоляції, екрану та захисної полімерної оболонки. Обґрунтовано ефективність застосування двошарового алюмополімерного екрану. Доведено, що варіювання товщини та діелектричної проникності матеріалу плівки екрану дозволяють оптимізувати конструкцію кабелю для забезпечення менших значень робочої ємності порівняно з неекранованою парою. На підставі чисельних розрахунків показано, що при розташуванні двошарового екрану плівкою назовні робоча ємність суттєво зростає та не відрізняється від ємності екранованої суцільним металевим екраном. Обґрунтованість та адекватність виконаних чисельних розрахунків робочої ємності кручених пар підтверджено експериментальними результатами вимірювань коефіцієнту згасання в діапазоні частоти до 20 МГц неекранованої та екранованої двошаровим ламінованим екраном крученої пари.

Перспективи застосування морської енергетики в умовах конкуренції з іншими видами нетрадиційних джерел

Наталя Панасівна Савченко — 2022-12-30

Світова енергетична криза зумовлена нестачею традиційних джерел енергії, що веде до збільшення їх вартості та обмеження доступності у необхідній кількості для повноцінного та ефективного функціонування енергетичних систем. Тому цілком логічним є пошук нових науково-технічних рішень щодо розвитку альтернативної енергетики з відновлюваними джерелами енергії, які є екологічно «чистими» та їх використання не веде до порушення природного кліматичного балансу з незворотними наслідками. Сучасна альтернативна енергетика в основному базується на перетворенні енергії сонця і вітру, а технології їх побудови передбачають наземну локацію, що веде до заняття великих площ під електростанції. Поряд з цим такі електростанції мають ряд кліматичних, сезонних та добових обмежень за потужністю виробництва електроенергії, що веде до коливань енергетичного балансу системи зі збільшенням їхньої кількості. Для усунення провалів та сплесків енергії в енергосистемі при використанні відновлювальних джерел енергії необхідним є впровадження накопичувачів енергії, які у свою чергу на даному етапі свого розвитку є неекологічними хімічними акумуляторами, які також потребують заняття великих площ та певних технічних умов для коректної роботи. Таким чином, розвиток морської енергетики може стати у перспективі вирішенням низки питань щодо усунення дестабілізації роботи світової енергосистеми та дати повну енергонезалежність від традиційних джерел енергії. Світовий океан має безмежні запаси відновлюваної енергії, тому їхнє раціональне вилучення та використання є запорукою зростання обсягів виробництва електроенергії в умовах збільшення її споживання, що приведе до загального зниження кризових явищ в енергетичній галузі багатьох країн. Питання розвитку морської енергетики як окремого виду у складі альтернативної відновлюваної енергетики є першочерговим і відповідно розробка технологічних рішень щодо створення морських електростанцій з принципово різними способами виробництва електроенергії потребує великих економічних вкладень у дослідження щодо їх впровадження. У перспективі морська енергетика може стати одним із основних джерел відновлюваної екологічної електроенергії.

Особливості моделювання зовнішнього магнітного поля електротехнічних комплексів та систем до і після його компенсації

Олександр Григорійович Середа — 2022-12-30

Здійснено комп’ютерне моделювання зовнішнього магнітного поля трифазної електроустановки до та після його компенсації. Проведений аналіз процесу комп’ютерного моделювання зовнішнього магнітного поля триполюсного автоматичного вимикача, що дозволило виділити три особливості, пов’язані з вибором напряму обходу контурів із фазними струмами, з визначенням необхідних умов компенсації поля на великій відстані, а також з розрахунком модуля напруженості в контрольних точках спостереження при дії сумарного зовнішнього магнітного поля контурів електроустановки й джерел, що компенсують. Отримані розрахункові співвідношення, що дозволяють здійснити математичне моделювання зовнішнього магнітного поля контурів зі струмом різної конфігурації, а саме поля окремого контуру зі струмом, поля контурів, що обтікаються трифазним струмом в трифазній системі струмів з нейтральним провідником, у випадку трифазної системи струмів без нейтрального провідника, поля магнітних диполів, а також компенсуючого магнітного поля електромагнітів компенсаторів. Визначено, що при моделюванні зовнішнього магнітного поля розрахунок модуля вектора напруженості магнітного поля в точці спостереження та магнітного моменту контуру із фазним струмом потрібно здійснювати з урахуванням пульсуючих складових компонент, що змінюються в часі за законом синусу та косинусу. Розрахунки підтвердили, що застосування зовнішнього блока електромагнітів компенсаторів для автоматичного вимикача дозволяє в 28 одиниць по осі x та у і 70 одиниць по осі z зменшити вплив його зовнішнього магнітного поля на мікропроцесорний блок керування напівпровідниковим розчіплювачем максимального струму й, тим самим, запобігти помилкових спрацьовувань пристроїв релейного захисту та протиаварійної автоматики електротехнічних комплексів та систем низької напруги.

Аналіз динаміки зміни вмісту газів в маслонаповненому обладнанні з дефектами різного типу

Олег Володимирович Шутенко — 2022-12-30

У статті наведено результати аналізу динаміки зміни значень відношень характерних газів, відсоткового вмісту газів і номограм дефектів у процесі розвитку електричних розрядів, локальних перегрівів і комбінованих дефектів у високовольтному маслонаповненому устаткуванні. Під час проведення аналізу виконувалася оцінка значення концентрацій газів на предмет відповідності різним рівням, які регламентовані в чинному в Україні стандарті, на різних стадіях розвитку дефекту. Для визначення типу дефекту за значеннями відношень характерних газів у різні моменти часу були використані норми, регламентовані стандартом МЕК 60599 і квадратом ETRA. Динаміка зміни відсоткового вмісту газу аналізувалася з використанням трикутника Дюваля. За результатами аналізу встановлено, що первинними дефектами під час розвитку електричних розрядів можуть бути не тільки електричні розряди з меншою інтенсивністю, але й термічні (зокрема, в діапазоні температур 150–300 ℃) і комбіновані дефекти. При цьому в процесі розвитку розрядів характер дефектів може змінюватися від вимірювання до вимірювання. Отже, під час оцінки можливості подальшої експлуатації трансформаторів, крім ступеня небезпеки дефекту і швидкості його розвитку, необхідно враховувати можливість перетворення дефекту з менш «небезпечного» на більш «небезпечний», який швидко розвивається. Під час розвитку дефектів термічного типу первинним дефектом, як правило, є термічний дефект із нижчою температурою гарячої точки. Встановлено, що в обладнанні з перегрівами, вищими за 700 ℃, зміна газовмісту в процесі розвитку дефекту має схожий характер. Зокрема, спостерігається дзеркальний характер зміни відсоткового вмісту метану по відношенню до етилену. Цей ефект може бути використаний для виявлення високотемпературних перегрівів на ранній стадії їхнього розвитку ще до того, як значення концентрацій газів перевищать граничні значення, що дасть змогу уникнути руйнування ізоляції устаткування та продовжити його ресурс. Під час розвитку комбінованих дефектів (перегрівів, що супроводжуються розрядами, або розрядів, що супроводжуються нагріванням), спочатку виникає основний дефект (наприклад, розряд), у процесі розвитку якого проявляється додатковий дефект (наприклад, нагрівання). Отримані результати свідчать про можливість виявлення та розпізнавання дефектів маслонаповненого обладнання на різних стадіях їхнього розвитку.