Потери энергии в конструктивных элементах электрооборудования при нарушении симметрии параметров режима электропередачи

Исследована несимметрия параметров режима электропередачи при возникновении индукционного тока в конструктивных элементах электрооборудования. Вращающееся магнитное поле, производимое трехфазным переменным током, влияет на симметричность системы электропередачи, при нарушении которой появляется индукционный ток, вызывающий дополнительные нагревы электрооборудования. При нахождении потокосцепления с объектом исследования, обусловленного нескомпенсированным магнитным полем, расчет выполнен с помощью уравнения Пуассона для векторного магнитного потенциала. Приведены основные соотношения для расчета несимметричного режима с учетом потерь в земле с помощью метода симметричных составляющих. Для расчета и верификации индукционных нагревов предложен параметрический синтез баланса энергии в конструктивных элементах электрооборудования, расположенного на открытом воздухе, учитывая процессы естественной конвекции, излучения и теплопроводности. На термограммах силового трансформатора и портальной опоры на оттяжках показаны дополнительные потери энергии от индукционных токов. Расчет электропередачи по воздушной линии электропередачи (ВЛ) с учетом взаимоиндукции несущей конструкции проводится в трехфазной системе векторов и в преобразованной системе по методу симметричных составляющих для случая продольной несимметрии. Учет сопротивления земли ведет к изменению соотношения активной и реактивной составляющих – активные потери мощности возрастают, а реактивные становятся меньше, соответственно угол нагрузки уменьшается. Дополнительные потери электроэнергии, возникающие в несбалансированном и несимметричном режиме работы электроустановки, не учтены в нормативных документах Российской Федерации. Предложены мероприятия по снижению потерь энергии в приведенных примерах и выполнен технико-экономический расчет для ВЛ. Результат работы может быть полезен при проектировании и модернизации силовых трансформаторов и воздушных линий электропередачи.

1. Об утверждении Методики определения нормативов потерь электрической энергии при ее передаче по электрическим сетям: приказ М-ва энергетики Российской Федерации от 7 авг. 2014 г. № 506 // Министерство юстиции Российской Федерации. URL: https://minjust.consultant.ru/documents/11644.

2. Об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям: приказ М-ва энергетики Российской Федерации от 30 дек. 2008 г. № 326. URL: https://docs.cntd.ru/document/902143004.

3. Об опыте расчетов, анализа и нормирования потерь электроэнергии в электрических сетях России и Казахстана / В. Э. Воротницкий, М. А. Калинкина, А. С. Садовская [и др.] // Электрические станции. 2019. № 11. С. 31–43.

4. Овсянников, А. Г. Индукционные потери энергии в опорах воздушной линии электропередачи / А. Г. Овсянников, Р. А. Нечитаев // Научный вестник НГТУ. Т. 63. 2016. № 2. С. 129–140. https://doi.org/10.17212/1814-1196-2016-2-129-140.

5. IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Non-Sinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions: IEEE 1459–2000. IEEE, 2010. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2000.93398.

6. Повышение качества функционирования линий электропередачи / Г. А. Данилов, Ю. М. Ден-чик, М. Н. Иванов, Г. В. Ситников; под ред. В. П. Горелова, В. Г. Сальникова. 3-е изд. М.; Берлин: Директ-Медиа, 2019. 558 с.

7. Additional Energy Losses From Asymmetric and Non-Sinusoidal Current in an Electrical Facility and Methods of Their Reduction / E. V. Tarasov, L. L. Bulyga, V. Ya. Ushakov, N. N. Kharlov // MATEC Web of Conferences. 2015. Vol. 37. P. 1057. https://doi.org/10. 1051/matecconf/ 20153701057.

8. Поспелов, Г. Е. Применение управляемых гибких линий электропередачи в электрических сетях энергосистем // Г. Е. Поспелов, Т. Г. Поспелова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2010. №. 5. С. 5–9.

9. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники: в 2 т. / Л. А. Бессонов. М.: Юрайт, 2020. Т. 1: Электрические цепи. 363 с.

10. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники: в 2 т. / Л. А. Бессонов. М.: Юрайт, 2020. Т. 2: Электромагнитное поле.

11. Горшков, А. В. Эмпирический метод определения максимального значения наведенного напряжения в рассматриваемой точке отключенной воздушной линии электропередачи / А. В. Горшков // Электричество. 2019. №. 11. С. 23–32. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2019-11-23-32.

12. Котова, Е. Н. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах: учеб.-метод. пособие / Е. Н. Котова, Т. Ю. Паниковская. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2014. 216 с.

13. Carson, J. R. Wave Propagation in Overhead Wires with Ground Return / J. R. Carson // The Bell System Technical Journal. 1926. Т. 5, No 4. С. 539–554. https://doi.org/10.1002/j. 1538-7305.1926.tb00122.x.

14. Кухлинг, Х. Справочник по физике / Х. Кухлинг; пер. с нем. 2-е изд. М.: Мир, 1985. 520 с.

15. Аполлонский, С. М. Дифференциальные уравнения математической физики в электротехнике / С. М. Аполлонский. СПб.: Питер, 2012. 352 с.

16. Компенсация искажений напряжения в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой / Д. А. Шандрыгин, В. П. Довгун, Д. Э. Егоров [и др.] // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12, № 4 (48). С. 38–52.

17. Закарюкин, В. П. Моделирование пофазно экранированных токопроводов / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков // Изв. высш. учеб. заведений. Проблемы энергетики. 2015. № 5–6. С. 120–126. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2015-0-5-6-120-126.

18. Миткевич, В. Ф. Магнетизм и электричество / В. Ф. Миткевич. СПб.: Изд. А. С. Суворина, 1912. 258 с.

19. Нечитаев, Р. А. Анализ индукционных потерь энергии в опорах воздушной ЛЭП 500 кВ / Р. А. Нечитаев // Научный вестник НГТУ. 2017. Т. 68, № 3. С. 158–171. https://doi.org/10.17212/1814-1196-2017-3-158-171.

20. Нечитаев, Р. А. Модификация несущих конструкций воздушных линий электропередачи с целью минимизации потерь электроэнергии / Р. А. Нечитаев, А. С. Трофимов // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. № 4 (48). С. 135–147.

21. Патент RU 79310 U1, МПК E04H 12/08, E04H 12/10. Опора воздушной линии электропередачи: 2008124902/22: заявлено 20.06.2008: опубл. 27.12.2008 / В. П. Дикой, А. Л. Ивановский, Н. М. Коробков, Р. А. Нечитаев, А. Г. Овсянников; заявитель и патентообладатель ОАО «НТЦ Электроэнергетики». URL: https://patents.google.com/patent/RU79310U1/ru.

22. Компактные управляемые линии электропередачи / Ю. Г. Шакарян, В. М. Постолатий, Л. В. Тимашова, С. Н. Карева // Энергия единой сети. 2012. №. 3. С. 24–29.

23. Nechitaev, R. A. Verification Modeling of Magnetic Field Influence on Power Transmission Line Losses / R. A. Nechitaev, N. L. Novikov, L. I. Tolstobrova // 2021 XV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). IEEE, 2021. Р. 166–170. https://doi.org/10.1109/APEIE52976.2021.9647530.

24. Анализ электромагнитных и тепловых процессов асинхронного двигателя с помощью 3D-моделирования / А. Н. Пехота, В. Н. Галушко, Б. М. Хрусталев, Д. В. Мирош // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 2. С. 125–136. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-2-125-136.

25. Секацкий, Д. А. Расчет и анализ удельных потерь активной мощности на коронирование в воздушных линиях электропередачи с учетом климатических данных / Д. А. Секацкий, Н. А. Попкова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 1. С. 16–32. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-1-16-32.

26. Nechitaev, R. New Approach to Evaluate the Energy Efficiency of Overhead Power Transmission Lines: Results of Theoretical and Experimental Research / R. Nechitaev, A. Khalyasmaa // IEEE Industry Applications Magazine. 2023. Т. 29. No 3. С. 67–74. https://doi.org/10.1109/MIAS.2022.3214022.