CC BY
37
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Горин В.И. Охлаждающее устройство для современных тепловозов: каким ему быть? // Локомотив. 2013. № 7. С. 27-29.
2. ГОСТ 31187-2003. Тепловозы магистральные. Общие технические требования. Введ. 200407-01. М. : ИПК Издательство стандартов, 2004. 12 с.
3. РТМ 24.040.22-85, Тепловозы. Методы расчета систем охлаждения тепловозных дизелей : руководящий материал для расчетов ОАО «ВНИКТИ». 1985. 164 с.
4. Горин В.И. Резервы экономии топлива при эксплуатации тепловозов серии 2ТЭ116 // Локомотив. 2012. № 6. С. 18-19.
5. Розенблит Г.Б., Алексеев В.Г. Влияние уменьшения теплорассеивающей способности систем охлаждения тепловозного дизеля на его эксплуатационную и топливную экономичность // Двигателестроение. 1990. № 7. С. 14-15.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача. М. : Энергия, 1969. 440 с.
7. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов : учеб. для вузов ж.-д. трансп. М. : Транспорт, 1989. 296 с.
8. Ткаля В.С. Методика расчета охлаждающего устройства тепловозного дизеля // Тр. ВНИТИ, 1978. Вып. 47. 54 с.
9. Панов Н.И.. Теплотехнические а аэродинамические характеристики тепловозных водовоз-душных секций с шагом оребрения 2,3 мм // Тр. МИИТ, 1970. Вып. 332. с. 94.
10. Горин А.В. К вопросу оценки вентиляторной мощности магистральных тепловозов и рекомендации по ее сокращению // Железнодорожный транспорт на современном этапе развития : сб. тр. молодых ученых ОАО «ВНИИЖТ» / под. ред. М.М. Железнова, Г.В. Гогричиани. М.: Интекст, 2013, С. 167-172. (Тр. ОАО «ВНИИЖТ»).
11. Гогричиани Г.В., Горин А.В. Метод расчета вероятности перегрева теплоносителей систем охлаждения тепловозных дизелей // Вестник ВНИИЖТ. 2013. №1. С. 60-66.
УДК 621.311 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: [email protected]
Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ МУЛЬТИФАЗНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
V.P. Zakaryukin, A. V. Kryukov
MODELLING OF MULTIPHASE POWER LINES
Аннотация: На основе мультифазных линий электропередачи можно повысить надежность электроснабжения, снизить экологическое воздействие высоковольтных ЛЭП на окружающую природную среду, обеспечить заданную пропускную способность при меньшем классе напряжения. Для практического использования мультифазных линий требуются адекватные алгоритмы моделирования электроэнергетических систем, имеющих в своем составе линии электропередачи многофазного исполнения. Такие алгоритмы могут быть реализованы на основе разработанных в ИрГУПС методов моделирования электрических систем в фазных координатах.
В статье предложена методика моделирования электроэнергетических систем, включающих в свой состав шести- и двенадцатифазные линии электропередачи. Результаты моделирования показали следующее: многофазные линии с напряжением проводов относительно земли, равным 127 кВ, имеют пропускную способность, соизмеримую с аналогичным показателем для традиционной ЛЭП 500 кВ; потери мощности в этих линиях выше, чем у трехфазной ЛЭП 500 кВ; мультифазные линии создают значительно меньшие напряженности электромагнитного поля по сравнению с трехфазной ЛЭП 500 кВ.
Мультифазные линии электропередачи имеют ряд преимуществ перед традиционными конструкциями, однако по уровню потерь уступают последним. Поэтому окончательный выбор способа передачи электроэнергии должен осуществляться на основе технико-экономических расчетов с учетом обеспечения необходимого уровня надежности электроснабжения.
Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего». Договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, мультифазные линии электропередачи, моделирование режимов.
Abstract. On the basis of multiphase power lines it is possible to increase reliability ofpower supply, to reduce ecological impact of the high-voltage lines on surrounding environment, to provide the same power at a smaller class of voltage. For multiphase lines practical use adequate algorithms of electrical power systems with incorporating multiphase
m
power lines modeling are required. Such algorithms can be realized on the basis of electric systems modeling developed in IrGUPS in phase coordinates.
In the article the technique of electrical power systems modeling including six- and twelve-phase power lines is offered. Results of modeling showned the following: multiphase lines with phase voltage 127 kV have power supply capacity commensurable with the traditional high voltage line 500 kV; power losses in multiphase line are higher than at the three-phase high voltage line 500 kV; multiphase lines create considerably smaller intensity of an electromagnetic field in comparison with the three-phase high voltage line 500 kV.
Multiphase power lines have a number of advantages over traditional lines; however on losses level concede to the last. Therefore the final choice of line construction has to be carried out on the basis of technical and economic calculations taking into account providing necessary level of power supply reliability.
Work is performed within the plan of scientific researches for the «Intellectual Networks (Smart Grid) for an Effective Power System of the Future» direction. Contract № 11.G34.31.0044 of27.10.2011.
Keywords: electrical power systems, multiphase power lines, modeling of modes.
Введение
Исследования, результаты которых приведены в работах [1-3], показывают, что путем увеличения числа фаз линий электропередачи (ЛЭП) можно повысить надежность электроснабжения и снизить экологическое воздействие ЛЭП на окружающую природную среду. При использовании мультифазных ЛЭП заданная пропускная способность может быть обеспечена при меньшем классе напряжения.
Для практического использования мульти-фазных ЛЭП требуется разработка адекватных алгоритмов моделирования электроэнергетических систем (ЭЭС), имеющих в своем составе линии электропередачи многофазного исполнения. Такие алгоритмы могут быть реализованы на основе разработанных в ИрГУПС методов моделирования мультифазных электрических систем, основанных на использовании фазных координат и решетчатых схем замещения из Л£С-элементов, соединенных по схеме полного графа [4-21]. Указанные методы позволяют наряду с расчетом режима определять напряженности электромагнитного поля (ЭМП) в точках пространства, окружающего многопроводную ЛЭП [22]. В настоящей статье представлены результаты моделирования шести-фазных и двенадцатифазных линий электропередачи.
Результаты моделирования шестифазной
ЛЭП
Моделирование осуществлялось на основе комплекса программ «БаЕОпоМ-Качество», разработанного в ИрГУПС [4], применительно к схеме шестифазной ЛЭП с напряжением проводов относительно земли, равным 220 /л/3 кВ, рис. 1, а. Для сопоставления с традиционными способами передачи электроэнергии проводилось моделирование трехфазной ЛЭП 500 кВ, имеющей сравнимую пропускную способность, рис. 1, б. При расчетах предполагалась полная транспозиция проводов шестифазной ЛЭП и отсутствие транспозиции проводов ЛЭП-500. Координаты расположения проводов представлены на рис. 2. Векторные диаграммы напряжений шестифазной ЛЭП представлены на рис. 3.
Из рассмотрения векторных диаграмм, приведенных на рис. 3, б, в, г, можно сделать вывод о том, что в шестифазной системе имеется три набора линейных напряжений с модулями, равными иРН, -¿3ирн, 2ирн, где ирн - модуль фазного напряжения. За счет наличия линейных напряжений и ь = 2и РН обеспечивается более высокая пропускная способность шестифазной ЛЭП по сравнению с традиционной трехфазной аналогичного класса напряжения. Ниже приведены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие данный вывод. Расчетные схемы, сформированные средствами ПК «РаЕОпоМ-Качество», приведены на рис. 4. Результаты моделирования проиллюстрированы на рис. 5.. .10.
3хАС-330
3хАС-330
3хАС-330
а) б)
Рис. 1. Схемы ЛЭП: а) шестифазная ЛЭП; б) трехфазная ЛЭП
АС-240
и А М
► и,
в)
г)
Рис. 3. Векторные диаграммы напряжений шестифазной ЛЭП
а) б)
Рис. 4. Расчетные схемы: а - шестифазная ЛЭП; б - трехфазная ЛЭП
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
12 10
_ Шестнфа ЛЭП чиэст у
ЛЭП 51 )0 кВ
0
300
«0 600 ЛМВт
а) б)
Рис. 5. Зависимость потерь от передаваемой мощности Рь : а - рассчитанные в ПК <Фа/опогй» потери мощности; б - потери мощности, отнесенные на один Ом активного сопротивления проводов ЛЭП
0 2 4 Рис. 6. Угловые характеристики мощности: 1 - допустимая мощность по нагреву проводов АС-240 шестифазной ЛЭП
Рис. 7. Токи в фазах ЛЭП: 1 - допустимый длительный ток для провода АС-240
Рис. 8. Напряженность электрического поля на высоте 1,8 метра
-40 -20 0 20 40 Рис. 9. Напряженность магнитного поля на высоте 1,8 метра при транзите мощности 480+/240 МВ-А
1.6 1.4 1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
к, %
ЛЭП 500 кВ
шестифазная ЛЭП
^- - / - . Г, мьт 1
0 100 200 300 400 500 600
Рис. 10. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности
Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы.
1. Шестифазная ЛЭП с напряжением проводов относительно земли, равным 220/л/3 кВ, имеет пропускную способность, соизмеримую с аналогичным показателем для традиционной ЛЭП 500 кВ.
2. Для рассмотренных в статье конструктивных исполнений ЛЭП на сооружение шестифазной линии требуется вдвое меньший объем материала проводов.
3. Потери мощности, отнесенные на один Ом сопротивления проводов, для шестифазной ЛЭП в 7-9 раз выше, чем у трехфазной ЛЭП 500 кВ.
4. Шестифазная ЛЭП создает значительно меньшие напряженности электромагнитного поля по сравнению с трехфазной линией 500 кВ. Максимальный уровень напряженности электрического поля шестифазной ЛЭП меньше примерно в шесть раз, а напряженность магнитного поля меньше в полтора раза.
5. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности на приемном конце шести-фазной ЛЭП значительно ниже аналогичного показателя для ЛЭП 500 кВ; при отсутствии транспозиции проводов шестифазной линии этот коэф-
фициент равен 0.02 % при транзите мощности 400 МВт. Поэтому для шестифазной ЛЭП при симметричном расположении проводов может не потребоваться сооружение дорогостоящих транспозиционных опор.
Результаты моделирования двенадцати-фазной ЛЭП
Моделирование схемы с двенадцатифазной ЛЭП с напряжением проводов относительно земли, равным 220/43 кВ, проведено с помощью программного комплекса «РаЕОпоМ-Качество» (рис. 11). Для сопоставления с традиционными способами передачи электроэнергии проводилось моделирование трехфазной ЛЭП 500 кВ, имеющей сравнимую пропускную способность (рис. 1, б).
Расчетные схемы, сформированные средствами ПК «Fazonord-Качество», приведены на рис. 12. Результаты компьютерного моделирования проиллюстрированы на рис. 13-16.
Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы.
1. Двенадцатифазная ЛЭП с напряжением
проводов относительно земли, равным 220/л/3 кВ, имеет пропускную способность, соизмеримую с аналогичным показателем традиционной ЛЭП 500 кВ.
ш
а) б)
Рис. 12. Расчетные схемы: а - двенадцатифазная ЛЭП; б - трехфазная ЛЭП
700
600
500
400
300
200
100
0 0.0
Р^МВт 1ннадцати< [>азняя ЛЭ
ДЕ 11
ЛЭ1 : ?оо кв
<5, град
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Рис. 13. Угловые характеристики мощности
4.0
4.5
5.0
14 12 10
8 6 4 2 0
Д Р,%
ьенлдцлтифгп
Д* ная ЛЭП
ЛЭП 500 / - кВ
/¿,МВт
100
200 300 400 500 600
Рис. 14. Зависимость потерь от передаваемой мощности Рь
700
300
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Рис. 15. Электрическое поле на высоте 1,8 метра
12 10 8 6 4 2 0
и А 2 *МАЗГ'
П \
— /
Х,м
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Рис. 16. Магнитное поле на высоте 1,8 метра при транзите мощности 480+/240 МВ-А
2. Потери мощности в двенадцатифазной ЛЭП значительно выше, чем в трехфазной ЛЭП 500 кВ.
3. Двенадцатифазная ЛЭП создает значительно меньшие напряженности электромагнитного поля по сравнению с трехфазной линией 500 кВ. Максимальный уровень напряженности электрического поля двенадцатифазной ЛЭП меньше примерно в 3,5 раза, а напряженность магнитного поля меньше в 4 раза.
Заключение
Полученные результаты показывают, что мультифазные ЛЭП имеют ряд преимуществ перед традиционными конструкциями, однако по уровню потерь уступают последним. Поэтому окончательный выбор способа передачи электроэнергии должен осуществляться на основе технико-экономических расчетов с учетом обеспечения необходимого уровня надежности электроснабжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Королев А.Н., Коротков В.В., Куликов К.В.
Сравнительный анализ мультифазных ЛЭП //
Межвуз. сб. научн. тр. по электротехнике / Ивановск. гос. энерг. ун-т. Иваново, 1998. 32 с.
2. Королев А.Н., Куликов К.В., Коротков В.В. Особенности построения мультифазных ЛЭП // Повышение эффективности работы энергосистем. Иваново, 2001. С. 108-111.
3. Гершенгорн А.И. Многофазные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения // Электрические станции. 1994. № 8. С. 67-70.
4. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск, 2005. 273 с.
5. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск : Изд-во ИрГУПС. 2011. 160 с.
6. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Арсентьев М.О. Использование технологий распределенной генерации на железнодорожном транспорте // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 3. С. 81-87.
m
7. Закарюкин В.П. Моделирование предельных режимов электроэнергетических систем с учетом продольной и поперечной несимметрии /
B.П. Закарюкин, А.В. Крюков, Е.А. Крюков. Иркутск, 2007. 138 с. Деп. в ВИНИТИ. 03.08.2006, № 1036-В2006.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многообмоточных трансформаторов в фазных координатах // Электротехника. 2008. № 5. С. 56-60.
9. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Расчет электромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями электрофицированных железных дорог // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2011. Т. 48. № 1. С. 148-152.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Абрамов Н.А.Построение упрощенных моделей электроэнергетических систем для целей оперативного управления // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. № 16.
C. 66-71.
11.Шульгин М.С., Крюков А.В., Закарюкин В.П. Параметрическая идентификация линий электропередачи на основе фазных координат // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 140-147.
12. Закарюкин В.П. Расчеты режимов электрических систем при сложных видах несимметрии / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков Иркутск, 2004. 197 с. Деп. в ВИНИТИ. 30.09.2004, № 1546-В2004.
13. Закарюкин В.П. Моделирование и прогнозирование процессов электропотребления на железнодорожном транспорте / В.П. Закарюкин, А.В.Крюков, Н.В. Раевский, Д.А. Яковлев. Иркутск, 2007. 114 с. Деп. в ВИНИТИ. 11.01.2007, № 19-В2007.
14. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация линий электропередачи и трансформаторов Иркутск, 2012. 96 с.
15. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Иванов А.Н. Моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными линиями электропередачи // Проблемы энергетики. 2007. № 7-8. С. 37.
16. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Определение наведенных напряжений с учетом несинусоидальности токов контактной сети железных дорог переменного тока // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. С. 315-319.
17. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Соколов В.Ю. Системный подход к моделированию многоамперных шинопроводов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 4. С. 68-72.
18. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Моделирование электромагнитных влияний контактной сети железных дорог на смежные линии электропередачи // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 1. С. 2-7.
19. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог // Вестн. Ростов. гос. ун-та путей сообщения. 2008. № 3. С. 93-99.
20. Кодолов Н.Г., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование трансформаторов тока на основе фазных координат // Энергоэксперт. 2011. № 5(28). С. 49-52.
21. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Кодолов Н.Г. Использование моделей измерительных трансформаторов для анализа работы устройств релейной защиты // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 4 (40). С. 133-140.
22. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Электромагнитная обстановка на объектах железнодорожного транспорта. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. 130 с.
