CC BY
18
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИННОВАЦИОННЫХ _СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ_
Казанцев Александр Андреевич, Солдусова Елена Олеговна, Проничев Артем Валерьевич,
Самарский государственный технический университет
Аннотация. Рассмотрены новые более совершенные и эффективные по сравнению с существующими конструкции силовых трансформаторов (СТ) для применения в распределительных электрических сетях и системах электроснабжения (ЭССЭ) России. Оцениваются перспективы, направления и модернизации распределительных СТ в отечественных ЭССЭ. Констатируется необходимость решения проблем замены и проблемы перехода парка существующих СТ на инновационные конструкции.
Ключевые слова: трансформатор, энергосбережение, потери, энергоэффективность, аморфные магнитные материалы, высокотемпературные сверхпроводниковые материалы.
Abstract. Considered new more advanced and efficient compared with the existing structure of power transformers for use in distribution networks, and power supply systems Russia. Prospects of directions and modernization of distribution in domestic CT essays. Stated the need to tackle the problems of transition and replacement of the existing fleet PT on innovative designs.
Keywords: transformer, power saving, slips, energy efficiency, amorphous magnetic materials, high-temperature superconductor materials.
Введение
В последние годы во всех отраслях экономики отмечается значительный рост объема и плотности электропотребления в системах электроснабжения (ЭСН). С учетом жестких требований по его качеству и надежности наиболее эффективным и кардинальным решением этой проблемы является применение инновационного электрооборудования (ЭО). Для подстанций это - СТ, обмотки которых выполняются с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), а сердечники -из аморфных ферромагнитных материалов (АФМ). ВТСП и АФМ используются в конструкциях СТ, как по отдельности, так и совместно.
Все это особенно актуально для напряженных и ответственных ЭСН мегаполисов. С учетом сказанного в них, в частности, можно исключить ступени ЭСН на напряжениях 35 - 110 кВ и распределять электроэнергию в городе на напряжениях 10 -20 кВ. При этом значительно снижаются затраты на сооружение подстанций и можно значительно увеличить токи рабочих режимов. Можно констатировать, что названные прогрессивные мероприятия пока не имеют широкого применения в существующих системах ЭСН.
Это связано с тем, что отечественная электротехническая промышленность практически еще не освоила производство названного ЭО, а зарубежное - по многим причинам еще не получило должного распространения. Кроме того, имеет место недостаток информации по созданию и эксплуатации перспективных систем ЭСН и, прежде всего, в том, что связано с построением адекватных математических моделей для анализа их рабочих режимов [1-2].
Это определило направление и цель настоящей работы как решение задачи проектирования перспективных ЭСН, содержащих ВТСП и АФМ трансформаторы. Это задача прогнозирования параметров СТ и ЛЭП, которые еще не в полной мере освоены отечественной промышленностью, а в
ряде случаев - только разрабатываются. Тем не менее, данные об этих параметрах уже сейчас необходимы для создания инновационных ЭСН.
Потери электроэнергии ДW в электроустановках ЭССЭ при передаче, распределении и потреблении электроэнергии - это с точки зрения закона сохранения энергии неизбежные энергетические и экономические затраты на обеспечение физической сущности названных технологических процессов. Можно констатировать, что эти затраты, в частности, связанные с выделением тепла, за исключением его полезного использования, наносят вред, как самому электрооборудованию, так и окружающей среде.
Поэтому несмотря на то, что проблема снижения суммарных потерь электрической мощности и энергии (ПЭМЭ) в электроэнергетике всегда была и есть в центре внимания эксплуатации, научных исследований, проектирования и конструирования новых электроустановок и процессов, можно констатировать непреходящую актуальность и необходимость поиска новых решений. В современных условиях потери электроэнергии и мощности можно существенно снизить применением в конструкциях силовых трансформаторов (СТ) следующих инновационных решений:
• Использование эффекта сверхпроводимости (СП) низко- и высокотемпературной (НТСП, ВТСП) для кардинального уменьшения нагрузочных потерь в обмотках СТ [3-4].
• Внедрение новых эффективных способов формирования основного магнитного потока СТ с помощью аморфных ферромагнитных материалов (АФМ) и перспективных бессердечниковых конструкций СТ для значительного (в 5-6 раз) снижения потерь холостого хода трансформатора [5-6].
• Применение комбинированной конструкции, сочетающей в себе применение АФМ для производства магнитопровода, и материалы,
обладающие ВТСП эффектом для изготовления обмоток СТ [1].
Силовой трансформатор является наиболее ответственной и дорогостоящей электроустановкой в
ЭССЭ, а применение новых материалов увеличивает его стоимость. Поэтому необходимо, чтобы этот элемент сети функционировал с высокой надёжностью и стабильностью [6].
о
см
О
£6* I Е-иИЗ
О ^
О
1-1
см
■а- 1-
Ё'О
ее* I еииэ
ебм Е-ииэ
96» I. Е-иИЭ
Ё'О
ебм Е-ииэ
ег/оог
^ к
-:> го
О "
ог£ О-
СМ > -О «
о
ГО
56*1 Е-ииэ со
ГО
г: о 1
ее'о
о
I- вея I. е-ииэ
СО СО
Ё'О
™ й
га
О я
-<©5
Я;
со _
о см
ТГ см
см
см
41
<м см
О '
о —
СО ■ СО 3
11
Я £
с X,
со
f— го
^ I
о я
35*1 е-ииэ
ео
СО
см
36* I Е-иИЭ
■к©
огЗ
С!" оо и
§ I
О ^
см е 2 Я О
КСС
0 А
1
«о
о
ГО
й §
«о
3
С
50
о §
а £
и а
йн
т- Г ' Н"
1Л
ГО
ч <=> СХ
О
О
Ш
ш <
(К со
сц о
А
О
Результаты
Для фрагмента сети «Смышляевка-Тяговая» АО «Самарская сетевая компания» на напряжение 10 и 20 кВ, представленный на рис.1, была смоделирована замена традиционных ТМ на всех трансформаторных подстанциях с учетом реальных нагрузок на АФТ, ВТСТ и АВТСТ.
Физической основой компьютерных экспериментов является определение потерь активной и реактивной мощности в АФТ, АВТСТ и ВТСТ, а также в линиях электропередачи по известным выражениям:
ДРтр ДРхх + ДРкз • кзагр,
где кзАГр - коэффициент загрузки Таблица 1.
дг> _ дг> I икз% р , 2
Дотр Дохх + ЮО^ • ом • кзагр
ДБ = ДРхх + ДОхх
Р2 + о2
и
н
где R - сопротивление ВЛ с СИП-3 от источника питания до рассматриваемой ТП.
Была оценена эффективность применения АФТ, ВТСТ и АВТСТ по сравнению с ТМ путем определения суммарных потерь в линиях электропередачи и в трансформаторах схемы на рис.1.
Результаты расчетов потерь в трансформаторных подстанциях для каждого вида трансформатора на напряжение 10 кВ представлены в таблице 1.
ТП Удельные потери в ТМ, ВТ^ч Удельные потери в АФТ, ВТ^ч Удельные потери в ВТСТ, ВТ^ч Удельные потери в АВТСТ, ВТ^ч
ТП-1 1395 670 1013,15 376,24
ТП-2 943 468 689,67 230,67
ТП-3 1554 552 1205,08 368
ТП-4 1535 1060 859,75 400,75
ТП-5 554 202 564,24 136,24
ТП-6 943 670 1013,15 376,24
ТП-7 1120 395 901,4 264,44
ТП-8 1934 932 1361,43 524,25
ТП-9 1120 395 901,4 264,44
ТП-10 758 283 636,52 177,52
ТП-11 1780 1055 1169,6 532,76
ТП-12 1554 552 1205,08 368
ТП-13 1554 552 1205,08 368
ТП-14 955 230 834,35 197,36
ТП-16 1554 552 1205,08 368
Результаты расчетов потерь в трансформаторных подстанциях для каждого вида тр-ра на напряжение 20 кВ представлены в таблице 2. Таблица 2.
ТП Удельные потери в ТМ, ВТ^ч Удельные потери в АФТ, ВТ^ч Удельные потери в ВТСТ, ВТ^ч Удельные потери в АВТСТ, ВТ^ч
ТП-1 1480,43 731,43 1114,19 404,19
ТП-2 1050,26 499,26 798,64 254,64
ТП-3 1530,56 550,56 1274,96 374,12
ТП-4 1660,5 1109,5 974 430
ТП-5 678,76 214,76 656,52 160,52
ТП-6 1050,26 731,43 1114,19 404,19
ТП-7 1174,08 425,08 989,64 279,64
ТП-8 1916,26 936,26 1433,66 533,02
ТП-9 1174,08 425,08 989,64 279,64
ТП-10 859,56 308,56 743,84 199,84
ТП-11 1909,32 1160,32 1288,56 578,56
ТП-12 1530,56 550,56 1274,96 374,12
ТП-13 1530,56 550,56 1274,96 374,12
ТП-14 990,27 241,27 914,91 204,91
ТП-15 1050,26 499,26 798,64 254,64
ТП-16 1530,56 550,56 1274,96 374,12
Результаты расчетов потерь в линиях электропередачи и суммы потерь для каждого вида тр-ра на напряжение 10 кВ представлены в таблице 3.
Таблица 3.
ТП Удельные потери в линиях, ВТ^ч Сумма потерь в тр-рах и линиях, ВТ^ч
Удельные потери в ТМ, ВТ^ч Удельные потери в АФТ, ВТ^ч Удельные потери в ВТСТ, ВТ^ч Удельные потери в АВТСТ, ВТ^ч
ТП-1 167,94 1562,94 837,94 1181,09 544,18
ТП-2 95,65 1138,65 563,65 795,32 326,32
ТП-3 43,65 1597,65 595,65 1348,73 411,65
ТП-4 34,40 1669,40 1194,40 934,15 505,15
ТП-5 41,61 695,61 243,61 615,85 177,85
ТП-6 40,70 1083,70 810,70 1073,85 416,94
ТП-7 24,64 1244,64 449,64 946,04 289,08
ТП-8 65,41 1999,41 997,41 1446,84 589,66
ТП-9 25,46 1245,46 520,46 956,86 289,90
ТП-10 219,54 977,54 502,54 886,06 397,06
ТП-11 69,51 1949,51 1224,51 1259,11 602,27
ТП-12 30,71 1584,71 582,71 1305,79 398,71
ТП-13 19,59 1573,59 571,59 1294,67 387,59
ТП-14 185,72 1140,72 415,72 1060,07 383,08
ТП-15 24,24 1067,24 592,24 723,91 274,91
ТП-16 102,20 1656,20 654,20 1401,28 470,20
Результаты расчетов потерь в линиях электропередачи и суммы потерь в сети с использованием каждого вида трансформатора на напряжение 20 кВ представлены в таблице 4.
Таблица 4._
Сумма потерь в тр-рах и линиях, ВТ^ч
ТП Удельные потери в линиях, ВТ^ч Суммарные Суммарные Суммарные удельные потери с ВТСТ, ВТ^ч Суммарные удельные потери с АВТСТ, ВТ^ч
удельные потери с ТМ, ВТ^ч удельные потери с АФТ, ВТ^ч
ТП-1 4,78 1485,21 736,21 1108,97 408,97
ТП-2 6,97 1057,23 506,23 775,61 261,61
ТП-3 5,24 1535,80 555,0 1220,20 379,36
ТП-4 1,57 1662,07 1111,7 915,57 431,57
ТП-5 2,03 680,79 216,79 618,55 162,55
ТП-6 3,90 1054,16 735,33 1018,09 408,09
ТП-7 2,89 1176,97 427,97 922,53 282,53
ТП-8 6,45 1922,71 942,71 1410,11 539,47
ТП-9 1,42 1175,50 426,50 941,06 281,06
ТП-10 2,37 861,93 310,93 716,21 202,21
ТП-11 6,68 1916,0 1167,00 1225,24 585,24
ТП-12 4,19 1534,75 554,75 1219,15 378,31
ТП-13 2,22 1532,78 552,78 1217,18 376,34
ТП-14 6,66 996,93 247,93 921,57 211,57
ТП-15 2,19 1052,45 501,45 720,83 256,83
ТП-16 4,77 1535,33 555,33 1279,73 378,89
s н
(D
О «
S S
ß ¡г
« m о
w
н
m S а
(D Н О
с
2500
2000
1500 =
1000 =
500
-ТМ
■ АФТ ^ВТСТ
■ АВТСТ
Рис. 2. Результаты расчетов суммарных удельных потерь в сети 10 кВ
3
о
(N
S н
(D
О «
S S
в =г
(D М
« m
(Т)
о
W
(D
4
г>
5 а
(D Н
а
2500
2000
1500
1000
500
.> .у х> Л> Jf> , ^ ч\ л л Л Jo
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^^VVVVV>
= ТМ
■ АФТ ^ВТСТ
■ АВТСТ
0
0
Рис. 3. Результаты расчетов суммарных удельных потерь в сети 20 кВ
Из результатов проведенных экспериментов, представленных диаграммами на рисунках 2-3 и таблицами 1-4 стало видно, что энергоэффективность инновационных тр-ров значительно выше, чем энергоэффективность тр-ров с традиционным исполнением магнитопровода. Также можно отметить, что удельные потери в сети 20 кВ ниже, чем в сети 10 кВ при использовании каждого из видов трансформаторов.
Таким образом, делаем вывод, что введение в эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов, высокотемпературных сверхпроводниковых трансформаторов и их комбинированной конструкции является одним из наиболее перспективных путей снижения технических потерь энергосистем. Производственные способности российских производителей в изготовлении трансформаторов
АФТ развиваются быстрым темпом, и способны обеспечить спрос на данный тип оборудования.
Список литературы:
1. Савинцев Ю.М. Анализ состояния производства в РФ силовых масляных СТ I-III габаритов// Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. - 2012. - №1. - С. 43-53.
2. Александров Н. В. Исследование влияния сверхпроводниковых трансформаторов на режимы электроэнергетических систем. Автореферат дис. канд. техн. наук по специальности 05.14.02. НГТУ. Новосибирск. 2014.
3. Гольдштейн В.Г., Инаходова Л.М., Казанцев А.А., Молочников Е.Н. Анализ эксплуатационных свойств трансформаторов с сердечниками из аморфных материалов и защита их с помощью нелинейных ограничителей
перенапряжений. Вестник СамГТУ. Серия "Техн. науки". - Самара, №4 (40). 2013 г. с. 149-157.
4. Кузнецов Д.В., Гольдштейн В.Г. Совершенствование концепции и методов организации энергоснабжения мегаполисов. Промышленная энергетика 2014. №2.
5. Манусов В.З., Александров Н.В. Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с
высокотемпературными сверхпроводящими
обмотками // Известия ТПУ. - 2013. - №4. - с. 100105.
6. Berger A., Cherevatskiy S., Noe M., Leibfried T. Comparison of the efficiency of superconducting and conventional transformers / A. Berger, // Journal of Physics: Conference Series 234. 2010.
С 01В 3/00, C02F 1/20, С25В1/00, 1/02, 1/04
ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОДОЕМОВ С МОРСКОЙ _ВОДОЙ ОТ СЕРОВОДОРОДА_
Терещук Валерий Сергеевич,
с.н.с. ИМАШ РАН
Автореферат
В данной статье предлагается проект очистки природных водоемов от сероводорода для улучшения экологии природных водоемов с целью предотвращения уменьшения рыбных запасов и в восстановлении красных водорослей в частности в акватории Черного моря вблизи Крымского побережья.
Abstract
This article proposes a project to clean natural reservoirs from hydrogen sulfide to improve the ecology of natural reservoirs in order to prevent the reduction of fish stocks and to restore red algae in particular in the Black Sea near the Crimean coast.
Ключевые слова:
Электролиз, сероводород, сера, водород, морская вода
Keywords:
Electrolysis, hydrogen sulphide, sulfur, hydrogen, sea water
В данной статье предлагается проект очистки природных водоемов от сероводорода для улучшения экологии природных водоемов с целью предотвращения уменьшения рыбных запасов и в восстановлении красных водорослей в частности в акватории Черного моря вблизи Крымского побережья.
Наиболее близким к данному предложению является патент РФ №2123476 с приоритетом от 02.07.92г [1], который предполагал создание аэролифта из пузырьков водорода, вырабатываемых за счет химической реакции активированного алюминия с морской водой. Водород, поднимаясь по трубе вверх, увлекает по трубе вверх и воду вместе с растворенным в ней сероводородом. Из движущейся к поверхности воды суспензии, за счет падения давления начинает выделяться и растворенный водород, что усиливает эффект аэролифта.
В 1992 году активированный алюминий предполагал использование сплава алюминия с индием и галлием. Такой сплав успешно выделяет из воды водород, при этом индий и галлий безвозвратно расходуется, что экономически невыгодно, так как эти компоненты по стоимости близки к золоту.
Поэтому предлагается вместо индия и галлия использовать сплав алюминия с несколькими процентами меди, например, 5-8% [2] или использовать известный сплав Д16 (дюраль-дуралюминий), где так же содержится медь. Эти сплавы хорошо зарекомендовали себя в качестве материала для катода при электролизе воды для получения водорода [3]. В предполагаемом способе дешевле организовывать аэролифт, используя разложение воды при помощи электролиза. На рис. 1 представлена схема подобного устройства. Труба 1 сделана из легкого
алюминиевого сплава АГ-6, почти не подверженного коррозии в морской воде. Труба 1 в данном случае будет являться анодом, а катодом расположенный в центре круглый сплошной цилиндр 7 из предлагаемого нами недорогого алюминиевого сплава.
В прототипе вода, в которой растворен сероводород засасывалась снизу трубы, в предполагаемом изобретении см.фиг.1 нижний торец трубы закрыт, а вода с растворенным сероводородом поступает через боковые окна-2, что предполагает перемещение такой трубы 1 при помощи траления каким-либо судном, т.е. очищение воды от сероводорода на приличной акватории и в слое по вертикальному размеру щелей водозоборников 2.
Закрытая нижняя часть трубы предполагает сбор продуктов электро- химической реакции 6, которые тяжелее воды и не растворимы в воде.
Преимущество этого способа состоит еще в том, что этот процесс будет регулируемым за счет изменения мощности электроэнергии, подаваемой от постоянного источника тока 8 в цепь анод-катод.
Не нужно будет задействовать насосом, как в прототипе, первоначальное движение воды с растворенным в ней сероводородом вверх к поверхности водоема. Это можно сделать подавая в начале большую мощность на электролизную ячейку.
Следует заметить, что электролиз морской воды с растворенным в ней сероводородом несколько отличается от электролиза обычной воды.
Морская вода содержит в основном хлорид натрия, т.е. катионы натрия и анионы хлора и молекулы воды. Поэтому на катоде наряду с водородом будет выделяться и натрий. Натрий с молекулами
