9.2. Анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой ёмкости
9.2.1. Анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой ёмкости на примере модели
Для того, чтоб оценить какие изменения в электроснабжение потребителей собственных нужд станций привносит включение в цепь их питания батарея конденсаторов большой ёмкости, предлагается проанализировать и сравнить изменения режимов работы этой цепи без и при использования батареи конденсаторов большой ёмкости. Общая схема питания привода собственных нужд представлена на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Общая схема цепи питания привода собственных нужд без батареей конденсаторов большой ёмкости (а) и с ней (б)
UАБ= 220 В – напряжение на зажимах аккумуляторной батареи;
UЗУ= 230 В – напряжение на зажимах зарядного устройства;
Rл = 0,157 Ом – активное сопротивление линии;
Pл = 100 Вт – мощность потребляемая лампами накаливания;
Pп =UI= 220В·500А = 110 кВт – мощность потребляемая приводом.
Сопротивление линии подобрано таким образом, что бы напряжения на её конце Uпри включении привода, было равно 70% отUАБ, т.е.
U= 0,7UАБ= 0,7·220 = 154 В.
Постоянная нагрузка представлена в виде двух ламп по 50 Вт, привод с Iном = 500 А – потребителем активной мощности. Кабельная линия представлена в виде активного сопротивленияRл.
В представленном труде анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой мощности осуществляется посредством использования виртуальных математических моделей, а именно с помощью программного обеспечения MatLabSimulimk. Основная модель представлена на рисунке 9.3.
Рис. 9.3. Модель цепи питания привода с использования батареи конденсаторов большой ёмкости
Аккумуляторная Батарея водится в виде двухполюсника, который представляет собой последовательно включенные идеальный источник ЭДС 220 В и сопротивление 0,1 Ом (см. рис.9.4).
Рис. 9.4. Модель аккумуляторной батареи
Лампы накаливания и привод в модели представлены в виде потребителей активной мощности. Для выполнения измерений в схеме предусмотрены мультиметр, вольметр, амперметр и осциллографы, как элементы, графически отображающие поведение измеряемых величин во времени.
Зарядное устройство так же, как и аккумуляторная батарея вводится в виде двухполюсника. Схема этого двухполюсника представлена на рис. 9.5. В ней присутствуют управляемый источник тока и управляемый источник напряжения. В зависимости от режима цепи питания собственных нужд зарядное устройство работает либо как источник напряжения, либо как источник тока. Управление переключениями между источниками тока и напряжения осуществляется посредством переключателей. В свою очередь управление переключателями выполняется с помощью реле. А реле реагирует на изменение результатов измерений амперметра. Последний измеряет ток на выходе зарядного устройства.
Рис. 9.5. Модель зарядного устройства
Модель работает следующим образом: изначально привод отключён от питания, в определённый момент времени он включается с помощью выключателя, а затем сново выключается. Управление выключателем осуществляется с помощью импульсного генератора.
При включении привода происходит падение напряжения, как следствие изменение режима потребления мощности. Если напряжение на конце линии снизится ниже 0,7UАБ= 154 В то привод не сможет функционировать. Рассматриваемый период времени после включения привода – 3 сек, этого вполне достаточно чтобы он сработал.
Графики, отображающие поведение напряжения на конце линии при отсутствии и наличии батареи конденсаторов большой ёмкости в цепи питания собственных нужд представлены на рис. 9.6 и 9.7.
Рис. 9.6. График напряжения на конце линии при отсутствии батареи конденсаторов большой ёмкости
Рис. 9.7. График напряжения на конце линии при наличии батареи конденсаторов большой ёмкости 10 Ф.
Исходя из вышепредставленных графиков (рис.9.6 и 9.7) можно сделать следующий вывод: представленная модель MatLab Simulink наглядно показывает, что использование батареи конденсаторов большой ёмкости позволяет повысить минимальное значение напряжения, до которого оно снижается при включении привода. В этом состоит положительный эффект её использования.
Этот эффект может меняться в зависимости от её ёмкости Cб и сопротивленияRб. Для оценки этого обстоятельства были проведён ряд опытов, результаты которых представлены в виде таблицы 9.2. и графиков рис. 9.9. - 9.11.
Емкость батареи конденсаторов большой ёмкости можно регулировать посредством изменения количества конденсаторов большой ёмкости в этой батареи соединённых параллельно. Схема соединения конденсаторов в батарею представлена на рис.9.8.
Рис. 9.8. Соединение конденсаторов большой ёмкости в батарею
При этом ёмкость батареи будет увеличиваться, а сопротивление уменьшаться.
Таблица 9.2
Результаты исследований модели
|
Nк, шт. |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
10 |
|
Cб, Ф |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
20 |
|
Rб, Ом |
|
0,3 |
0,15 |
0,1 |
0,075 |
0,06 |
0,05 |
0,042857 |
0,0375 |
0,03 |
|
Ц, USD |
0 |
2116 |
4232 |
6348 |
8464 |
10580 |
12696 |
14812 |
16928 |
21160 |
|
U, В |
154,0 |
155,2 |
157,6 |
161,1 |
164,8 |
168,5 |
172,0 |
175,2 |
178,2 |
183,1 |
|
R'л, Ом |
0,157 |
0,162 |
0,176 |
0,201 |
0,240 |
0,298 |
0,388 |
0,536 |
0,783 |
4,690 |
|
ΔRл, Ом |
|
0,005 |
0,019 |
0,044 |
0,083 |
0,141 |
0,231 |
0,379 |
0,626 |
4,533 |
|
L, км |
3,925 |
4,05 |
4,4 |
5,025 |
6 |
7,45 |
9,7 |
13,4 |
19,575 |
117,25 |
|
ΔL, км |
|
0,125 |
0,475 |
1,1 |
2,075 |
3,525 |
5,775 |
9,475 |
15,65 |
113,325 |
Nк - количество конденсаторов большой ёмкости в батарее;
Cб,Rб - ёмкость и сопротивление батареи конденсаторов большой ёмкости;
U- напряжение на конце линии;
R'л - сопротивление линии при котором напряжение на конце линии остаётся равным 0,7UАБ= 154 В;
ΔRл - величина, на которую можно повысить сопротивление линии, таким образом, что бы напряжение на конце линии осталось равным 0,7UАБ= 154 В;
L- длина кабельной линии при её сопротивлении R'л и удельном сопротивлении
Rуд = 0,04 Ом/м;
ΔL– величина, на которую можно увеличить длину кабельной линии при её сопротивленииR'л и удельном сопротивленииRуд = 0,04 Ом/м.
Рис. 9.9. График зависимости U(C)
Рис. 9.10. График зависимости ΔRл(C)
Рис. 9.11. График зависимости R’л(С)
Как отмечалось выше, для функционирования привода, достаточно чтоб напряжение на конце линии Uбыло более 0,7UАБ= 154 В. Использование батареи конденсаторов большой ёмкости, с учётом её влияния на напряжение на конце линии, позволяет уменьшить сечение кабельной линии (т.е. увеличить её сопротивление и снизить стоимость), при сохранении значения этого напряжения на должном уровне.
В табл. 9.3. представлены параметры кабелей с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой, пользуясь ей можно приблизительно оценить какую практическую пользу могут принести батареи конденсаторов большой ёмкости. Например, пусть на станции используется медный кабель сечением 150 мм2длиной 1 км и батарея конденсаторов большой ёмкости не используется. Если её установить, ёмкостью 14 Ф, то допустимо повысить сопротивление кабеля до 0,536 Ом. А это значит что можно уменьшить сечение кабеля до 35 мм2и, как следствие, его стоимость.
Таблица 9.3
Некоторые параметры кабелей с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой
|
Сечение жилы, мм2 |
Активное сопротивление на 1 км длины при 200С, Ом | |
|
Медь |
Алюминий | |
|
10 |
1,84 |
3,1 |
|
16 |
1,15 |
1,94 |
|
25 |
0,74 |
1,24 |
|
35 |
0,52 |
0,89 |
|
50 |
0,37 |
0,62 |
|
70 |
0,26 |
0,443 |
|
95 |
0,194 |
0,326 |
|
120 |
0,153 |
0,258 |
|
150 |
0,122 |
0,206 |
|
185 |
0,099 |
0,167 |
|
240 |
0,077 |
0,129 |
|
300 |
0,061 |
0,103 |
|
400 |
0,046 |
0,077 |
9.2.2. Отчёт по результатам испытаний на подстанции «Красногорская»
На подстанции "Красногорская" 25 ноября 2005 года проведены испытания работы электромагнитного привода ШПЭ-44УIвключения обходного масляного выключателя У-110 ОРУ 110 кВ. Электрическая схема соединений на подстанции представлена на рис. 9.12.
Рис. 9.12. Схема соединений на подстанции "Красногорская"
Параметры элементов схемы
АБ - аккумуляторная батарея OPzS800 (TAB, Словения) - 108 элементов.
Кб1 - кабель от аккумуляторной батареи до щита постоянного тока (времянка): РГ-2∙50, длина 25 м, удельное сопротивление 0,356·10-3 Ом/м, сопротивление кабеля 17,8·10-3Ом.
Кб2 - кабель от секции № 2 ЩПТ до магистрали постоянного тока ОРУ 110 кВ: АВВГ 2x95, длина 150 м, удельное сопротивление 0,309·10-3Ом/м, сопротивление кабеля 92,7·10-3Ом.
Кб3 - кабель магистрали постоянного тока ОРУ 110 кВ до ОМВ:
АВВГ 2x95, длина 115/10*4=46 м, удельное сопротивление, 0,309·10-3Ом/м, сопротивление кабеля 28,4·10-3Ом.
Кб4 - кабель между вводным ящиком и ящиком привода ОМВ:
АВВГ 2x95, длина 8 м, удельное сопротивление, 0,309·10-3Ом/м, сопротивление кабеля 4,94·10-3Ом.
АВ – автоматический выключатель А3716Ф-У3, Iном = 160 А,Iм = 1600 А.
При проведении опытов подзарядные агрегаты ВАЗП были отключены, магистраль постоянного тока разомкнута со стороны короткого плеча кольца питания ШП ОРУ 110 кВ.
Для измерений использовались 3 двухканальных осциллографа Fluke-192B:
осциллограф №1 использовался для регистрации напряжения (InputA) и тока (InputB) на головном участке кабельной линии Кб2, см. рис. 9.12;
осциллограф №2 использовался для регистрации напряжений полюсов сети относительно земли;
осциллограф №3 использовался для регистрации тока (InputA) и напряжения (InputB) во вводном ящике обходного масляного выключателя ОРУ-110 кВ, на головном участке кабельной линии Кб4 за автоматическим выключателем АВ, см. рис. 9.12.
Было проведено три опыта. Осциллограммы представлены на рис. 9.13 – 9.14.
Во всех трех опытах получены практически одинаковые результаты:
максимальное мгновенное значение тока через электромагнит привода – 308 А;
напряжение на электромагните привода снижается с 218 до 150 В;
время включения – 0, 7 с;
напряжение на аккумуляторной батарее в во время прохождения толчка тока, с учетом падения напряжения на кабельной линии Кб1, составляет 190 – 308∙17,8∙10-3= 184,5 В;
внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи
R = ΔU/ΔI = (218 – 184.5)/308 = 0,109 Ом
среднее внутреннее сопротивление элементов аккумуляторной батареи
Rэл = 109/108 = 1 мОм.
Выводы:
Операции включения выключателя У-110 проходят успешно, несмотря на заниженное напряжение на электромагните привода (68% вместо минимально допустимых 85% номинального значения) и токе 308 А, вместо 360 А.
Падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи в 2,5 раза превышает ожидаемое, что может быть обусловлено засульфатированностью ее электродов. Для новой аккумуляторной батареи OPzS800 (TAB,Словения), при сопротивлении аккумуляторов 0,4 мОм, падение напряжения должно составлять 108∙0,4∙308 = 13,3 В вместо 33,5 В полученных в опытах.
Проведенные опыты не позволяют сделать вывод о работоспособности электромагнитных приводов выключателей У-220, имеющих в 2 раза больший ток (3∙240 = 720 А).
Рис.9.13. Опыт № 1. Напряжение (красная кривая) и ток (черная кривая) на стороне ЩПТ
Рис.9.14. Опыт № 2. Напряжение (красная кривая) и ток (черная кривая) на стороне ЩПТ
Рис.9.15. Опыт № 2. Ток и напряжение, измеренные во вводном ящике привода
Рис.9.16. Опыт № 3. Напряжение (красная кривая) и ток (черная кривая) на стороне ЩПТ
Рис.9.17. Опыт № 3. Ток и напряжение, измеренные во вводном ящике привода