CC BY
61
УДК 621.313
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1 О
О.В. Арсентьев1, Д.О. Герасимов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показано, что условия параллельной работы трансформаторов зависят от параметров сети электроснабжения. При несимметрии энергосистемы возникает различие в загрузке трансформаторов. Проведен анализ работы подобных схем электроснабжения с применением математического моделирования в среде MATLAB. Определено, что для правильного выбора режима работы трансформатора необходимо учитывать параметры питающих линий.
Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: трансформатор; параллельная работа; электроснабжение; MATLAB.
PARALLEL OPEATION OF TRANSFORMERS WITH ASYMMETRICAL PARAMETERS OF POWER SUPPLY O.V. Arsentyev, D.O. Gerasimov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
It is shown that the conditions of parallel operation of transformers depend on the parameters of the electricity network. The difference in loading of transformers arises under the asymmetry of power system. The analysis of the operation of similar power supply diagrams is carried out with the application of mathematical modeling in MATLAB environment. It is determined that in order to choose the proper operation mode of a transformer it is necessary to take into consideration feeder parameters. 8 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: transformer; parallel operation; power supply; MATLAB.
Необходимым условием функционирования практически любой системы электроснабжения является включение в нее статического электромагнитного устройства - трансформатора (Тр), который, как известно, служит для повышения или понижения напряжения, обеспечивая тем самым необходимый уровень напряжения для передачи его в высоковольтную (ВВ) линию электропередач и для распределения между потребителями. Работа Тр во многом определяет пропускную способность сети, достаточный уровень надежности электроснабжения потребителей. Правильная загрузка Тр минимизирует потери при преобразовании энергии (при достаточной мощности нагрузки) и сохраняет его заявленный срок службы (при отсутствии перегрузок). Для соблюдения этих условий в некоторых случаях целесообразно использовать несколько Тр, параллельно работающих на общую нагрузку. Это позволяет гибко регулировать нагрузку на группе Тр путем включения-отключения отдельных Тр, входящих в эту группу, при резком изменении мощности электроприемников потребителей. Такое явление свойственно для сетей электроснабжения, питающих потребителей с большими и частыми толчками активной и реактивной нагрузки, передаю-
щимися в электрическую сеть и вызывающими в ней соответствующие колебания напряжения, а иногда и частоты, недопустимые для других потребителей электроэнергии.
Таким образом, параллельная работа может оказаться целесообразной и необходимой:
- при питании ударных резко переменных нагрузок, таких как электроприводы прокатных станов, электропечи, крупная электросварка;
- если автоматизированный ввод резерва (АВР) не обеспечивает необходимое быстродействие восстановления питания с точки зрения самозапуска электродвигателей и при вероятности неселективного действия схемы;
- если имеется вероятность несинхронных включений при действии АВР (например, при наличии заводской ТЭЦ).
Параллельная работа требует повышения качества электрооборудования и, в частности, повышения его отключающей и пропускной способности, что связано с увеличением затрат. Поэтому необходимость применения параллельной работы требует в каждом отдельном случае технико-экономической проработки конкурирующих вариантов в сочетании с обеспечени-
1Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
Arsentyev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
2Герасимов Дмитрий Олегович, программист кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405238, e-mail: gerasimovdo@mail.ru
Gerasimov Dmitry, Programmer of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel. (3952) 405 238, e-mail: gerasimovdo@mail.ru
ем необходимой степени бесперебойности и эксплуатационной надёжности системы электроснабжения [1].
Включение Тр на параллельную работу требует соблюдения некоторых общепризнанных условий, которые определяются его конструкцией и, как правило, в процессе эксплуатации не меняются. Работающие в группе на одну нагрузку Тр должны иметь одинаковые [2]:
а) группы соединения обмоток;
б) коэффициенты трансформации (допустимое отклонение не более 0,5%);
в) напряжения короткого замыкания (допускается различие не более 10%);
г) соотношения мощностей Тр не более 1:3.
Невыполнение этих условий приводит к возникновению выравнивающих токов во вторичных обмотках Тр (а, б) и дополнительному нагреву активной части трансформатора или к неравномерной загрузке параллельно работающих Тр (в, г), что вызывает недоиспользование трансформаторной группы по мощности [3].
35 кВ
I I
35 кВ
Рис. 1. Электрическая схема
Вышеприведенные условия относятся только к Тр и определяют их возможность для совместной работы на общую нагрузку. С другой стороны, Тр являются частью системы электроснабжения, от параметров которой также зависит их работа, в том числе и параллельная. На рис. 1 представлена электрическая схема участка сети электроснабжения с двумя параллельно включенными трансформаторами Тр1 и Тр2, установленными на разных понизительных подстанциях и имеющими, соответственно, неодинаковую длину линий электроснабжения. Эта схема обеспечивает переход в отдельных случаях на параллельную работу источников питания напряжением 35 кВ на общую нагрузку, шину 6 кВ. При этом решении вводы или понижающие трансформаторы работают параллельно, секционный выключатель В3 замкнут. При
нарушении нормальной работы одной из цепей секционный ВВ автоматически отключается.
Для правильной оценки работы ТР предлагается рассматривать их работу с учетом параметров высоковольтной линий (ВЛ) электропередачи 35 кВ. На приведенной электрической схеме основными элементами являются:
- силовые трансформаторы Тр1 Тр2 ТМ 10000/35, Рк=6,3 кВт; Рх=14,5 кВт; ¡0=0,8%; ик=7,5%, схема соединений обмоток У/У;
- ВЛ 35кВ, провод АС-35, допустимый ток линии -170А; г0=0,91 Ом/км; х0=0,429 Ом/км.
На известных схемах замещения параллельно работающих Тр учитываются только параметры обмоток трансформаторов [3]. При работе Тр в системах электроснабжения в эти схемы необходимо вводить параметры элементов сети, в частности, линий электропередач. На рис. 2 приведена схема замещения 2-х параллельных участков сети, каждый из которых включает в себя участок ВЛ и Тр. Параметры ВВ выключателей В1 и В2 не учитываем, принимаем их как идеальные ключи (это допустимо, т.к. сопротивление ВВ в открытом состоянии очень незначительно).
н
Zk1
Рис. 2. Схема замещения
На представленной схеме замещения: Zm, Z^2 - полные сопротивления ВЛ 1 и 2; ZKl,Zk2 - полные сопротивления короткого замыкания Тр 1 и 2; -суммарный ток потребления параллельно работающих Тр по первичной обмотке; In, I21 - токи в линиях, первичных обмотках Тр 1 и 2; —I'H - приведенное
значение тока нагрузки.
В соответствии со схемой замещения, полное сопротивление участков сети:
Z1 = ZЛ1 + zk1 = Zл 2 + zk 2 •
Токи в ветвях:
Ill = UJZi, I21 = UJZ2,
где U - напряжение короткого замыкания трансформатора.
По известной методике с использованием паспортных данных проведен расчет параметров схемы замещения Тр, определены все необходимые для дальнейшего расчета значения сопротивлений обмоток и магнитопровода. Получены следующие величины:
R = 0,489 Ом; R12 = 0,489 Ом,
^ = 0,489 Ом; R2 = 0,489 Ом;
Хп = 4,576 Ом; Х12 = 4,576 Ом;
Х21 = 4,576 Ом; Х22 = 4,576 Ом;
R = 2775 Ом; Х = 15060 Ом;
m 1 m 1
ZK i = 0,489 + j4576; ZK 2 = 0,489 +
+j4,576; Zm = 2755 + j15060. .
Для дальнейшего расчета необходимо задать длину линии ВЛ, которая, как известно, реально зависит от многих конструктивных, технико-экономических и географических особенностей объекта электроснабжения.
Принимаем l1=10 км, l2=5 км, тогда
R^ = 9,1 Ом; R2 = 4,55 Ом;
Хш = 4,29 Ом; Х^2 = 2,145 Ом.
Проводим расчет полных сопротивлений участков сети и токов в ветвях:
Z = 0,489 + j4,576 + 9,1 + j4,29,
Z = 9,589 + j8,866;
Z2 = 0,489 + j4,576 + 4,55 + j 2,145,
Z2 = 5,039 + j 6,721;
1=1516/(9,589 + j8,866); /n = 116 А;
I =1516/ (5,039 + j6,721); /21 = 181 А.
Анализ полученных результатов показывает, что токи в параллельно работающих трансформаторах распределяются неодинаково и зависят от параметров сети электроснабжения. Согласно теории, такой эффект аналогичен использованию на параллельную работу Тр с разными напряжениями короткого замыкания. Это приводит к неравномерной загрузке Тр (первый недогружается, второй - перегружается), снижается общая допустимая нагрузка на группу. Таким образом, предварительные расчеты показали, что влияние сети на работу Тр достаточно сильное и требуется более подробное рассмотрение проблемы для получения объективной информации и выработки необходимых рекомендаций.
Дальнейшее детальное рассмотрение этого режима работы сети проводилось путем математического моделирования. Определено, что наиболее современным инструментом моделирования и исследования подобных объектов является программный пакет Matrix Laboratory (MatLab). Пакет Simulink предназначен для интерактивного моделирования нелинейных динамических систем, состоящих из стандартных блоков. Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов, используя которые можно исследовать практически любую электроэнергетическую
и электромеханическую систему [4, 5]. Спектр проблем, рассмотрение которых может быть осуществлено при помощи его расширений (Toolbox), охватывает: матричный анализ, обработку сигналов и изображений, задачи математической физики, оптимизационные задачи.
На рис. 3 представлена структурная схема математической модели исследуемой энергетической системы, которая включает в себя следующие основные блоки:
- источник трёхфазного питания AC Source. Позволяет моделировать источник любого напряжения с учетом мощности короткого замыкания внешней сети;
- две трехфазные линии электроснабжения Three - Phase PI Section Line 1 и 2, с помощью которых возможно изменять параметры сети: сопротивление, длину линии;
- два трёхфазных трансформатора TR1 и TR2 с одинаковыми параметрами, включенными на параллельную работу;
- блок симметричной нагрузки Zn1-Zn3, включенной во вторичные обмотки Тр1 и 2, которая позволяет моделировать различные по мощности и характеру потребители;
- блоки измерения. Данная модель является универсальной и позволяет снимать 39 параметров, количественно характеризующих работу системы: эффективные и амплитудные значения токов и напряжений во всех элементах схемы; активную, реактивную, полную мощность; вычислять cosp, кпд, среднеквадратичные значения падения напряжения в линиях;
- блок обмена информацией (To Workspace) между SimPoweSystems и рабочей областью Matlab, позволяющий эффективно проводить математическую обработку результатов исследований с построением необходимых графических зависимостей.
Алгоритм расчёта параметров блока настройки трансформаторов реализован в виде отдельного m-File [6]. Перед началом моделирования параллельной работы трансформаторов блоки Тр1, Тр2 тестировались отдельно в режимах холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ) для подтверждения адекватности моделей трансформаторов их реальным аналогам.
Математическое моделирование параллельной работы трансформаторов проводилось при тех же условиях, что и приведенные выше предварительные расчеты. Расчеты проводились для активно-индуктивной нагрузки (cosp =0,8) при значениях коэффициента нагрузки ß = 0,01...1,5. Указанные режимы работы исследовались без учета электромагнитных составляющих переходных процессов возникающих при включении трансформаторов на сеть и параллельную работу.
Для получения более полной информации по параллельной работе Тр при несимметричных параметрах электроснабжения был проведен ряд исследований при переменных характеристиках потребителя.
На рис. 6 представлены зависимости напряжений на первичных обмотках Тр от тока нагрузки. При ХХ в режимах малых нагрузок длина линии незначительно влияет на работу Тр. Однако при номинальной расчетной загрузке группы разница напряжений С/п и
Ц/21 достигает 1,2 кВ, что очень существенно изменяет загрузку параллельно работающих Тр.
При сравнительно небольших процентных изменениях напряжений в первичной обмотке (около 5%)
Тр токи во вторичных обмотках /12 и /22 (рис. 7) различаются на 385 А, что составляет 25% при номинальном режиме работы группы.
Для определения влияния параметров электроснабжения на величину подводимого к Тр напряжения были проведены исследования режимов работы электросети при изменяющихся показателях линии: длине, типу провода. В качестве примера на рис. 8 представлена зависимость напряжения на Тр от длины линии L для приведенного выше расчетного варианта сети электроснабжения. При изменении длины линии до 15 км напряжение уменьшается на 3,5 кВ. Таким образом, определено, что сопротивление и длина линии
оказывают большое влияние на подводимое к Тр напряжение и это следует учитывать при анализе его работы в электрической системе.
В таблице приведена обобщенная сравнительная характеристика Тр при изменениях режимов работы системы. Трансформатор с короткой линией электроснабжения (Тр2) нагружается до номинального режима и имеет несколько худшие, чем Тр1 энергетические показатели, т.к. в соответствии с теорией, максимальные значения соответствуют Р =0,5...0,7. В этом смысле предпочтительнее работа Тр1 с длиной линией и недогрузкой по мощности на 26%. Повышение
коэффициента нагрузки /? >-1 приводит к перегрузке Тр2.
Выводы. Проведенные исследования параллельной работы трансформаторов при несимметричных параметрах электроснабжения позволили опре-
делить, что для правильного выбора режимов работы Тр следует учитывать характеристики подводящих линий. При несоблюдении этих рекомендаций возникает неравномерная загрузка Тр, что приводит к недоиспользованию трансформаторной группы.
1. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия, 1976. 368 с.
2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М.: ИКЦ "МарТ", 2006. 272 с.
3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Изд-во МЭИ, 2006. 651с.
4. Гультяев А.Б. Визуальное моделирование в среде MATLAB. СПб.: Питер, 2000. 423 с.
Библиографический список
5. Арсентьев О.В., Герасимов Д.О. Особенности имитационного моделирования силовых трансформаторов. Повышение эффективности производства в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. С. 213-216.
6. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАНАВ, Б1тРо\«ег8у81ет8 и Б^иНпк. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
УДК 621.18
ОЦЕНКА АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Н.П. Герасимова1, Н.Е. Буйнов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проанализированы причины абразивного износа конвективных поверхностей нагрева котлоагрегатов. Рассмотрены различные методы оценки золового износа теплообменных аппаратов. Проведён оценочный расчёт абразивного износа на примере водяных экономайзеров и воздухоподогревателей котла БКЗ-420-140-6С НовоИркутской ТЭЦ. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: зола; золовой (абразивный) износ; конвективные поверхности нагрева котельных агрегатов; экономайзер; воздухоподогреватель; способы оценки абразивного износа.
EVALUATION OF ABRASIVE WEAR OF BOILER UNIT CONVECTIVE HEATING SURFACES N.P. Gerasimova, N.E. Buinov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The causes of abrasive wear of convective heating surfaces of boiler units are analyzed. Different assessment methods of ash wear of heat exchangers are considered. An estimated calculation of the abrasive wear on the example of water economizers and air heaters of the boiler BKZ-420-140-6C of New Irkutsk Heat station is carried out. 5 sources.
Key words: ash; ash (abrasive) wear; convective heating surfaces of boiler units; economizer; air heater; methods to evaluate abrasive wear.
В настоящее время разрабатываются методики и способы проведения ремонтов энергооборудования по состоянию. При оценке состояния котлов одним из факторов является абразивный износ поверхностей нагрева.
Причиной абразивного износа в основном является соударение и трение твердых частиц о поверхность стенок труб, вследствие чего поверхность труб при эксплуатации теплообменных аппаратов истирается и
толщина стенок становится меньше [1-4]. При сильном износе труб появляются свищи или разрывы. Поэтому наряду с естественным старением оборудования золовой износ является дополнительной причиной, увеличивающей опасность разрыва металла трубных поверхностей нагрева.
Абразивный износ определяется выходом золы и несгоревших частиц топлива, скоростью движения газового потока, истирающими свойствами уноса,
1 Герасимова Наталья Павловна, кандидат химических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405124, e-mail: gerasimova@istu.edu
Gerasimova Natalia, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Heat-and-Power Engineering, tel.: (3952) 405124, e-mail: gerasimova@istu.edu
2Буйнов Николай Егорович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405126, e-mail: v38@istu.edu
Buinov Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Heat-and-Power Engineering, tel.: (3952) 405126, v38@istu.edu
