Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Все статьи: 738
Алгоритмы централизованных комплексов релейной защиты и автоматики
Статья научная
Разработаны алгоритмы для цифрового микропроцессора, выполняющего функцию централизованного комплекса релейной защиты и автоматики (РЗиА). Работа алгоритмов реализована на компьютерной модели РЗиА двухтрансформаторной подстанции в среде LabVIEW. Исследованы режимы работы централизованного комплекса РЗиА.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Актуальность заключается в использовании двигателя с внешним подводом теплоты для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, при этом источником тепловой энергии служит солнечный коллектор. Цель исследования. Разработка альтернативного источника энергии для автономных потребителей сельской местности на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга, способного преобразовывать низкопотенциальное тепло нагретой воды в механическую энергию с последующей генерацией электрического тока промышленной частоты. В отличие от классической конструкции известного двигателя Стирлинга представленный ДВПТ имеет значительный объем вытеснителя, который более чем в 20 раз больше объема рабочего поршня, что позволяет ему работать на меньшей разнице температур между нагревателем и охладителем. Рабочая температура нагревателя составляет 90-100 °С, что в 7-9 раз меньше по сравнению с известным двигателем Стирлинга. Материалы и методы. Теоретические исследования с помощью компьютерного симулирования процессов ДВПТ использованы законы термодинамики и метод Шмидта для построения PV-диаграммы и установления характера протекания термодинамического цикла Стирлинга. Использованы методы 3D-моделирования, метод постепенного приближения. Использован метод натурного эксперимента с последующим внесением изменений в компьютерную модель и лабораторный образец для достижения сходимости результатов и получения адекватной компьютерной модели. Результаты экспериментов обработаны и аппроксимированы, получены детерминированные математические модели и выполнен регрессивный анализ. Результаты. Приведено краткое описание конструктивных особенностей низкотемпературного двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по циклу Стирлинга, а также приведены некоторые результаты исследований и компьютерного моделирования. Заключение. Использование воздуха в качестве рабочего тела является не оправданным, так как при его применении массогабаритные размеры ДВПТ на единицу производимой мощности будут больше, чем у двигателей внутреннего сгорания. Для низкотемпературного ДВПТ обязательным условием является разница в объемах вытеснителя и рабочего поршня, для температуры нагревателя в пределах 90 °С вытеснитель должен быть в 20-40 раз больше по своему объему. На КПД оказывают влияние разница температуры между нагревателем и охладителем и давлением рабочего тела.
Бесплатно
Амплитудные значения падающей и отраженной волн в линии электропередачи трехпроводного исполнения
Статья научная
Передача электрической энергии по линиям электропередачи (ЛЭП) обеспечивается волнами электромагнитного поля. По ЛЭП трехпроводного исполнения передача электрической энергии обеспечивается тремя парами волн электромагнитного поля: тремя падающими и тремя отраженными. Амплитуды этих волн определяют величины напряжений и токов в линиях электропередачи. Сформирована схема распределения амплитудных значений падающих и отраженных волн электромагнитного поля по линейному проводу однородного участка ЛЭП трехпроводного исполнения. Она свидетельствует о том, что величины амплитудных значений волн электромагнитного поля определяют постоянные интегрирования. По схеме распределения амплитудных значений волн электромагнитного поля по линейному проводу ЛЭП трехпроводного исполнения видно, что на величины напряжений и токов в этом проводе существенное влияние оказывают соседние токоведущие части. Эта схема дает реальную возможность определения численных значений постоянных интегрирования. С помощью этих величин при известных постоянных распространения электромагнитных волн по линейным проводам ЛЭП и соответствующих волновых сопротивлений можно получить представление об амплитудных значениях падающих и отраженных волн вдоль всей линии электропередачи. Результаты описываемого здесь исследования могут быть использованы на стадии проектирования, реконструкции и эксплуатации ЛЭП трехпроводного исполнения для прогнозирования напряжений и токов на различных участках линии электропередачи. Прогнозирование амплитудных значений падающих и отраженных волн электромагнитного поля в линейных проводах двухцепной ЛЭП позволит детально проанализировать напряжения и токи на однородном участке линии электропередачи. Применение предлагаемой методики возможно и в условиях пониженного качества электрической энергии.
Бесплатно
Анализ аварийности и травматизма в электроэнергетике Российской Федерации
Статья научная
Представлен анализ аварийности и производственного травматизма в электроэнергетике РФ - одной из важнейших характеристик профессионального риска здоровью работающих. Показано, что за период с 2014 по 2017 гг. количество аварий в генерирующих и сетевых компаниях в целом по стране уменьшалась, однако количество аварий в течение года остается значительным: сотни для генерирующих и тысячи для сетевых компаний. Динамика производственного травматизма за период с 2012 по 2017 гг. также имеет тенденцию к снижению. К основным видам происшествий в генерирующих организациях относятся падения работника с высоты менее 0,5 м, к основным видам происшествий в сетевых компаниях относится поражение электрическим током и (или) электрической дугой. Выявлен возрастной состав и квалификация пострадавших работников: мужчины и женщины от 50 до 59 лет, имеющие стаж работы в занимаемой должности более 10 лет. Проведенный анализ указывает на необходимость качественно новых мероприятий организационного и технического характера, которые бы позволили более эффективно обеспечивать снижение аварийности и травматизма в электроэнергетике. Проведен анализ имеющихся на рынке AR-устройств. Выбрано AR-устройство для повышения безопасности в электроэнергетике РФ.
Бесплатно
Статья научная
При разработке и эксплуатации регулируемого электропривода важное значение имеет обеспечение температурных режимов базовой электрической машины, являющихся основными факторами надежности функционирования всей системы в целом. Выбранные на этапе проектирования алгоритмы энергоэффективного управления приводом и стратегия ШИМ в выходном инверторном звене преобразователя частоты оказывают влияние на нагрев фазных обмоток двигателя и его элементов. Для оценки этого влияния необходимы адекватные тепловые модели, топология и подбор параметров, что является сложной задачей и зависит от целого ряда факторов, таких как электрические параметры двигателя, диапазон рабочих скоростей и нагрузок, конструктивные особенности электрической машины. В статье рассматриваются достоинства и недостатки различных математических моделей теплового состояния асинхронного двигателя. Дана оценка возможности применения подобных моделей для анализа теплового состояния машины двойного питания при реализации энергоэффективных алгоритмов управления в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу.
Бесплатно
Статья научная
В рамках данного исследования выполнен анализ зависимости относительных действующих значений суммарных чётных и нечётных гармоник токов и напряжений электрических дуг дуговой сталеплавильной печи от величины тепловой постоянной времени дуги, вентильного эффекта, а также несимметричных режимов. С использованием математической модели электрического контура печи теоретически обоснована эффективность применения информации о чётных гармониках для решения задач диагностики стадии плавления шихты на начальной стадии расплавления и нечётных гармониках на стадии доводки. На базе полученных в ходе математического моделирования результатов сформированы рекомендации по формированию структуры блока диагностики стадии плавления металлошихты в составе системы управления электрическим режимом в зависимости от типа электросталеплавильного агрегата. Полученные результаты обладают потенциалом к применению в исследованиях, направленных на разработку усовершенствованных алгоритмов управления электрическим режимом дуговых сталеплавильных печей и установок ковш-печь с целью снижения энергозатрат на производство жидкой стали.
Бесплатно
Статья научная
На основании анализа известных технико-экономических результатов создания и эксплуатации электроподвижного состава метрополитенов, железных дорог и городского электрического транспорта с различными системами тягового электропривода (ТЭП) с учётом обоснованных теоретически и проверенных в эксплуатации технических решений по повышению их экономической эффективности показана недостаточная обоснованность распространённого среди части специалистов убеждения о безальтернативности использования на метропоездах только асинхронных тяговых машин (АТМ), а также показаны возможности существенного повышения эффективности применения на них системы тягового электропривода постоянного тока (ТЭП ПТ).
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено текущее состояние нефтяной промышленности. Представлен типовой график стадии разработки месторождений Западной Сибири. Высказана основная причина снижения эффективности разработки нефтяных месторождений, вызванная стремительным ростом обводненности продукции из добывающих скважин. Указан низкий коэффициент извлечения нефти (КИН) для месторождений Западной Сибири (35 %) и роль гидравлического разрыва пластов на темп обводнения скважин. Приведен сравнительный анализ работы механизированного фонда США и РФ. Установлено, что малодебитный фонд скважин в США с дебитами по нефти до 0,39 т/сут эксплуатируется скважинными штанговыми насосами (СШН), в то время как в РФ на месторождениях Западной Сибири по малодебитным скважинам отдано предпочтение их эксплуатации установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). Установлено, что по коэффициенту полезного действия (КПД) установки электроцентробежных насосов с номинальной производительностью от 20 до 40 м3/сут уступают КПД скважинных штанговых насосов, что приводит к дополнительным эксплуатационным затратам на добычу нефти и повышает ее себестоимость. Отмечено, что существует прорывная технология кратного увеличения КИН путем разработки нефтяных месторождений на завершающей стадии бурением скважин с горизонтальным окончанием и боковыми стволами на бездействующем фонде скважин. Применение в этих скважинах (без проведения большеобъемных гидравлических разрывов пласта (ГРП)) скважинных штанговых насосов повысит рентабельность добычи нефти на длительный период разработки месторождения. Обоснована необходимость дальнейшего применения СШН и совершенствования станции управления для создания условий энергосбережения и оптимальной работы скважин.
Бесплатно
Анализ и расчет пропускной способности воздушных линий электропередачи
Статья научная
Система транспорта электрической энергии является важнейшей составляющей электроэнергетической системы. Модернизация, оптимизация ее работы, увеличение пропускной способности, а также вариативность схем подключения при условии поддержания или повышения показателей надежности является архиважной задачей всей энергетической отрасли. Статья посвящена разработке схемно-технического решения для двухцепной трехфазной линии электропередачи с определением нового режима ее работы - «с расщепленной резервной фазой». Дается характеристика традиционным и нетрадиционным видам электропередачи переменного тока, таким как воздушные линии с резервной фазой, шестифазные линии электропередачи и управляемые линии электропередачи (FACTS). Приводится анализ путей повышения эффективности воздушных линий электропередачи, применяющих структурное и функциональное резервирования. Подробно рассмотрено схемно-техническое решение для двухцепной линии электропередачи с расширением режимов работы. Описаны возможные режимы работы двухцепных линий электропередачи. Рассмотрены пути повышения натуральной мощности линии электропередачи. Приведены результаты расчета пропускной способности линий с расщепленной резервной фазой и проведен сравнительный анализ пропускной способности воздушных линий электропередачи в режиме с расщепленной резервной фазой с линиями в традиционном исполнении.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается проблема снижения отказоустойчивости частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) при нарушениях электроснабжения. Подчеркнуто, что массовое внедрение ЧРП усугубляет проблему аварийных остановок энергоагрегатов тепловых предприятий при нарушениях электроснабжения: провалах напряжения либо кратковременных (1-3 с) отключениях. Причинами этого являются снижение темпа разгона электропривода при восстановлении питающего напряжения, а также увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей. Приведены диаграммы, характеризующие процессы при нарушении электропитания ЧРП, поясняющие данный вывод. Представлены результаты мониторинга количества и длительности провалов напряжения на секциях РУ-10 кВ районной тепловой станции, приводящих к сбою в работе ЧРП. Показано, что наибольшее количество отклонений имеет длительность от 0,2 до 0,6 с. Кроме того, нарушения по разным вводам в большинстве случаев не совпадают по времени, поэтому полного отключения потребителя не происходит. Представлены данные о количестве отключений частотно-регулируемого и нерегулируемого электроприводов дымососов котлов КВГМ-100 пиковой котельной г. Магнитогорска, зафиксированных в период с 2005 по 2013 гг. Приведен алгоритм и представлена информация о разработанной программе расчета интенсивности отказов электрооборудования. В результате выполненных расчетов определено среднее количество отключений в год, составляющее для ЧРП и нерегулируемого электропривода 8 случаев и 3 случая, соответственно. Подчеркнуто, что эти данные соответствуют результатам, полученным с применением других методик анализа, а также опубликованным другими авторами. Отмечены разработки, выполненные авторским коллективом, по созданию частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих повышенную устойчивость к нарушениям электроснабжения. Обоснована целесообразность разработки ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов.
Бесплатно
Статья научная
Приведены основные результаты исследования качества электроэнергии на шинах электросталеплавильного комплекса в случае работы статического тиристорного компенсатора (СТК) по новому алгоритму управления, предназначенному для улучшения электрических характеристик дуговой сталеплавильной печи (ДСП) за счет стабилизации ее активной мощности на оптимальном уровне. Анализ особенностей работы СТК в данном режиме показал значительное ухудшение характеристик напряжения по сравнению с опытами, в которых компенсатор функционировал по классическим алгоритмам. Для проведения подробной оценки негативного влияния СТК на качество электроэнергии (КЭ) при его работе по активной мощности рассчитаны показатели КЭ, характеризующие медленные изменения, несинусоидальность, несимметрию и колебания напряжения, и проведено их сравнение с результатами экспериментов с управлением компенсатора по реактивной мощности и напряжению. Опыты проводились на математической модели действующего электросталеплавильного комплекса «ДСП-120-СТК», разработанной в приложении Simulink математического пакета MATLAB. Для обеспечения требуемых значений показателей КЭ при функционировании СТК в режиме поддержания постоянной активной мощности ДСП разработаны структуры дополнительных блоков ограничения по напряжению и коэффициенту реактивной мощности, симметрирования напряжений и подавления фликера.
Бесплатно
Анализ методов определения проводимости изоляции для линии с отпайкой
Статья научная
Предложен выбор схемы замещения линии с изолированной нейтралью, имеющей одну отпайку, по анализу погрешности результатов расчета параметров изоляции, и проанализированы результаты расчета для случая ухудшения изоляции на одном из участков сети одной из фаз.
Бесплатно
Анализ надежности оборудования тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты
Краткое сообщение
Представлены характеристики электродвигателей механизмов собственных нужд теплоэлектроцентрали ОАО «ММК» и вариант их разбивки по категориям ответственности. Дня комплексной оценки надежности предложен аппарат структурно-логического моделирования. Даны рекомендации по обеспечению надежности электроприводов механизмов собственных нужд при внедрении преобразователей частоты.
Бесплатно
Анализ нечетких признаков неисправности трансформаторного оборудования
Статья научная
В статье показаны возможности анализа нечеткой и неопределенной информации о неисправности трансформаторного оборудования для повышения достоверности определения эксплуатационных показателей функционирования объектов электрической сети. Такой анализ проводится на основе экспертных оценок и диагностируемых признаков неисправности электротехнического оборудования, характеризующих работоспособное состояние оборудования. В настоящей работе предлагается использование математического аппарата, разработанного на основе синтеза нечётких лингвистических определений и количественных характеристик диагностируемого оборудования. Представленный подход реализуется путем парных сравнений с использованием фундаментальной шкалы Саати, позволяющей выявить наиболее существенные признаки неисправности. Достоверность положений представленной методики подтверждается соответствующими расчётными результатами, демонстрирующими адекватное поведение модели применительно к трансформаторному оборудованию. Сделаны выводы о возможных причинах возникновения неисправностей, а также о возможности применения разработанной технологии в системах поддержки принятия решений.
Бесплатно
Статья научная
Рациональное решение вопросов, связанных с профилактикой электротравматизма, а также с безопасностью эксплуатации и надежностью электроснабжения потребителей электроэнергии невозможно без определения параметров изоляции электроустановок. Если в процессе эксплуатации электрооборудования выявлять участки, где наблюдается устойчивое снижение уровня изоляции и заблаговременно выводить их в ремонт, то можно значительно повысить надёжность электроснабжения и безопасность эксплуатации. Таким образом, полная информация о состоянии изоляции электроустановок может быть получена при применении соответствующих методов контроля изоляции. В статье рассматривается краткая характеристика существующих методов определения параметров изоляции сети относительно земли, проанализированы погрешности косвенного метода, основанного на подключении к одной из фаз дополнительной емкости. Приведены результаты исследований на компьютерной модели влияния различных факторов на точность измерений параметров изоляции фаз сети относительно земли, которые показали, что при несимметрии фазных напряжений и изменении величины и вида нагрузки погрешность измерения не превышает 8 %.
Бесплатно
Анализ потенциала использования тепловых потерь силового масляного трансформатора
Статья научная
Рассмотрена возможность использования блока нагрева жидкости в конструкции силового масляного трансформатора. Показано, что, несмотря на высокий коэффициент полезного действия силовых трансформаторов, потери холостого хода и короткого замыкания имеют существенные значения и бесполезно рассеиваются в виде тепла в окружающую среду. Предложена конструкция силового трансформатора, в состав которого входит блок нагрева жидкости (теплоносителя). Это позволяет использовать силовой трансформатор не только для преобразования электрической энергии, но и для производства тепловой. С целью анализа возможности использования тепловых потерь разработана эквивалентная тепловая схема замещения и математическая модель, описывающая эту схему. Существует два режима работы блока нагрева жидкости. В пассивном режиме протекающая в нагревательном блоке жидкость нагревается только за счет тепловых потерь силового трансформатора. В активном режиме нагрев жидкости осуществляется за счет потерь при протекании электрического тока по трубам блока нагрева. Введено понятие коэффициента эффективности нагревательного блока. Исследования показали, что до 50 % потерь силового трансформатора можно использовать для нагрева теплоносителя, протекающего в нагревательном блоке. Получены соотношения между полезно используемой тепловой мощностью и потерями в трансформаторе. Также получена зависимость коэффициента эффективности нагревательного блока от расхода теплоносителя. В активном режиме работы нагревательного блока коэффициент эффективности составляет более 90 %.
Бесплатно
Анализ преимуществ реактивных электрических машин при построении гребной электрической установки
Статья научная
В работе рассмотрены различные типы гребных установок судов, приведены их основные достоинства и недостатки. Описаны достоинства системы полного электродвижения на базе электрического двигателя. Рассмотрены различные типы электрических машин, применяемых при построении систем электродвижения судов. Произведено обоснование выбора реактивной электрической машины в качестве приводного двигателя для гребной установки судов. Рассмотрены различные типы реактивных электродвигателей и перспективы использования их в гребных электроприводах судов, показаны возможные пути оптимизации характеристик двигателей (энергетические показатели, массогабаритные характеристики). Выполнен сравнительный анализ конструкций реактивных электрических машин и их конкурентных преимуществ между собой и классическими электрическими машинами, используемыми в электроприводе. Рассмотрены машины с различными конструкциями обмоток, показаны отношения продольной и поперечной индуктивностей различных типов двигателей, являющиеся критерием оценки качества конструкции. Подробно описаны машины с зубчатым статором и ротором, обоснована возможность их оптимизации по критерию минимума пульсаций электромагнитного момента. Приведено описание реактивных электрических машин с анизотропной магнитной проводимостью ротора с продольной и поперечной шихтовкой. Произведен анализ энергетических характеристик и массогабаритных показателей реактивных электрических машин.
Бесплатно
Анализ сенсорных элементов схемы и выявление слабых мест в сетях генераторного напряжения
Статья научная
На крупных промышленных предприятиях кроме внешних источников электроэнергии (энергосистемы) имеются собственные источники электрической и тепловой энергии, от стабильной и устойчивой работы которых завит работа основного технологического оборудования предприятия. Поэтому обеспечение стабильной работы как механизмов собственных нужд электростанций, так и основного технологического оборудования промышленного предприятия является актуальной задачей при новом проектировании электрических сетей или их реконструкции. Повышение надежности системы электроснабжения осуществляется различными способами, одним из которых является выявление и анализ сенсорных (чувствительных) элементов схемы с целью дальнейшего устранения слабых мест, а также неоднородностей системы. Таким образом, в работе в качестве объекта исследования рассматривалась сложная сеть генераторного напряжения промышленного предприятия, имеющая связь с системой через подстанции высокого и сверхвысокого напряжения и включающая в себя тепловые электростанции с механизмами собственных нужд и высоковольтных промышленных потребителей предприятия и насосных станций. Для выявления сенсорных элементов схемы была выполнена серия расчетов электромеханических переходных процессов при моделировании коротких замыканий в сети в программном комплексе «КАТРАН 10.0», на основе которых осуществлена оценка устойчивости синхронных и асинхронных двигателей за счет определения степени отклонения параметров их режима работы. По результатам расчетов определено, что наибольшей чувствительностью обладают механизмы собственных нужд электростанций, а максимальное отклонение параметров режима достигается при коротких замыканиях на уровнях высокого напряжения. Методика анализа сенсорных элементов схемы позволяет повысить надежность работы системы электроснабжения промышленного предприятия при сильных возмущениях в сети.
Бесплатно
Анализ систем возбуждения синхронных генераторов заводских электростанций
Статья научная
Одной из приоритетных задач развития металлургических предприятий является увеличение собственной генерации электрической энергии. На крупнейших предприятиях отрасли - ПАО «ММК» (г. Магнитогорск), ПАО «Северсталь» (г. Череповец), ПАО «НЛМК» (г. Липецк) выработка электроэнергии на заводских электростанциях составляет 60-70 % от общего потребления. Этому способствует два фактора: во-первых, наличие вторичных топливных газов - коксового и доменного, а во-вторых, неоправданно высокие тарифы на электроэнергию. В этих условиях обеспечение устойчивой безаварийной работы заводских генераторов и основных систем является, безусловно, актуальной задачей. Системы автоматического регулирования возбуждения (АРВ) являются наиболее ответственными, определяющими состояние генератора в различных режимах. Основные требования к системам АРВ определяют специфические условия работы, среди которых выделим наиболее существенные и значимые. 1. Генераторы относительно небольшой мощности имеют связь с внешней энергосистемой на шинах 110 кВ, где мощность короткого замыкания находится в пределах 1000-3000 МВА, поэтому возможности регулирования и поддержания напряжения при этом весьма ограничены. 2. В результате того, что электрическая энергия, вырабатываемая на собственных электростанциях, в 2-2,5 раза дешевле покупной практически все генераторы работают с коэффициентом мощности, близким к единице, что значительно снижает их устойчивость в системе электроснабжения. 3. Напряжение в точке подключения и нагрузки собственных нужд станций, работающих на генераторном напряжении, имеют нестабильный характер, поэтому для сохранения устойчивости генераторов в переходных режимах наиболее предпочтительной является система АРВ с переключающейся структурой, в которой настройки и законы регулирования выбираются в зависимости от режима работы. В работе дана общая характеристика существующих законов и предлагаемого закона регулирования возбуждения, адаптированная к условиям заводских генераторов, работающих совместно с мощными энергосистемами.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены многоуровневые конвертеры на базе модульной конструкции (ММС), предназначенные для высоковольтных сетей в качестве активных выпрямителей регулируемых электроприводов переменного тока, а также статических компенсаторов реактивной мощности. Приведена структура ММС, отличительная особенность которой заключается в том, что каждая фаза содержит ряд последовательно включенных одинаковых подмодулей. Представлена типовая топология подмодуля, состоящая из конденсатора, шунтируемого встречно-параллельным соединением диода и транзистора. Рассмотрены возможные рабочие состояния подмодуля, влияющие на уровень напряжения на входных зажимах. Детально проанализированы три известных способа модуляции напряжения ММС: метод амплитудно-импульсной модуляции, метод с назначением коммутируемого подмодуля и метод сравнения с опорным напряжением. Приведено содержание высших гармоник в выходном линейном напряжении ММС для трех перечисленных способов модуляции. Показано, что в методе сравнения с опорным напряжением уровень THD напряжения на входных зажимах конвертера составляет значение порядка 4 % при частоте коммутации силовых ключей 300 Гц.
Бесплатно
