Embed Size (px)
Citation preview
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ ЕЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ
Катедра: ЕЛЕКТРИЧЕСКИ АПАРАТИ
маг. инж. Татяна Радева Радева
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕЛЕКТРОДИНАМИЧНИ СИЛИ В
ШИННА СИСТЕМА НА ПОДСТАНЦИЯ
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
на дисертация за присъждане на образователна и научна степен
„ДОКТОР”
Професионално направление: 5.2 „Електротехника, електроника и автоматика”
Научна специалност: „Електрически апарати”
Научни ръководители: проф. д.т.н. Иван Ячев
доц. д-р Красимир Боев
София 2015
2
Дисертационният труд съдържа 5 глави, изложени на 109 страници, в които са
включени 71 фигури, 7 таблици и уравнения. Списъкът на използваните литературни
източници е съставен от 103 заглавия.
Означенията на главите, формулите, фигурите и таблиците в автореферата
съответстват на тези от дисертационния труд.
Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита на разширено заседание на
Катедрен съвет на катедра “Електрически апарати” при Технически университет- София,
състояло се на 20.07.2015 г.
Защитата на дисертационния труд ще се състои на 12.11.2015г. от 17:30 часа в зала
2140 на ТУ-София.
Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в
канцеларията на Електротехническия факултет при Технически университет-София.
Научно жури:
1. проф. дтн Иван Ячев
2. доц. д-р Кръстьо Хинов
3. проф. дтн Александър Александров
4. проф. д-р Никола Трифонов
5. проф. д-р Иван Миленов
Автор: маг. инж. Татяна Радева Радева
Заглавие: Изследване на електродинамични сили в шинна система на подстанция
Тираж: 25 бр.
Издателството на Технически университет – София
3
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на темата Развитието на енергийния сектор е много динамично в последните години.
Модернизацията и рехабилитацията на електрическите мрежи и системи е изключително
важна, както за надеждността, така и с оглед недопускане на злополуки. Необходимо е да
се осигури на потребителите непрекъснато качествено електрозахранване в съответствие
с нормативните документи. Един от важните проблеми, свързани с поддръжката на
разпределителните уредби са възможните повреди на шинната конструкция и
контактните съединения в нея. Основните причини за появата на деформации, а в някои
случаи дори разрушаване на шините са механичните и топлинните натоварвания, които
се получават при възникване на къси съединения и преминаване на ударен ток през
шинната система. Един от начините за оценяване на вредните въздействия и
предприемане на мерки за ограничаването им това е да се анализира динамичното
действие на токовете на късо съединение върху шинната система.
Цел на дисертационния труд Целта на дисертационния труд е разработване, валидиране и приложение на
подход за компютърно моделиране на електродинамични сили в шинни системи на
основата на числен метод за анализ на поле.
Задачи за постигане на целта 1. Разработка на подход за компютърно моделиране на основата на тримерен
анализ на електромагнитно поле на шинни системи в установен режим на подстанции.
Приложение за конкретни шинни системи.
2. Разработка на подход за компютърно моделиране на основата на тримерен
анализ на електромагнитно поле на шинни системи на подстанции в преходен режим на
късо съединение. Приложение за конкретни шинни системи.
3. Разработка на подход за компютърно моделиране на свързани електромагнитно
и топлинно поле в преходен режим. Приложение за конкретна шинна система.
4. Провеждане на експериментални изследвания за проверка на разработените
подходи.
Апробация Основните резултати от дисертационния труд са докладвани на национални и
международни конференции и са публикувани в периодични издания:
- международна конференция по приложен електромагнетизъм ПЕС 2011 в
Ниш, Сърбия;
- научна конференция ЕФ 2011, Созопол;
- международен симпозиум по електрически апарати и технологии SIELA 2012 –
Бургас;
- международен докторантски семинар CEMBEF 2012 – Нови Сад, Сърбия;
- международен докторантски семинар CEMEMC 2014 – Тимишоара, Румъния;
- списание в чужбина „International Journal of Electrical, Robotics, Electronics and
Communications Engineering“.
4
СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
ПЪРВА ГЛАВА
СЪСТОЯНИЕ НА ПРОБЛЕМА. ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА ДИСЕРТАЦИЯТА
1.1. Приложение на шинната система
Приложението на твърдите шини в откритите и закритите разпределителни уредби
на подстанции за напрежение 35kV и по-високо, позволява да се повишат
технико-икономическите показатели на електросъоръженията: да се съкрати
консумацията на материали, разходите за труд и за съоръженията на разпределителните
уредби, да се разработят (създадат) по естетични, по-удобни за монтаж, експлоатация и
ремонт РУ, а също така и да се разработят и проектират високо производство на
сглобяеми елементи, в това число пълни модули и окомплектовки.
Основните предимства и недостатъци на твърдите шини, областта на приложение,
класификацията на конструкциите с твърди шини, особеностите на въведените вече шини
от различни алуминиеви сплави, анализът на проектирането им, монтажът и
експлоатацията им са разгледани подробно в литературните източници.
1.2 Основни изисквания и видове
За да се гарантира определена експлоатационна надеждност на твърдите шини в
закритите разпределителни уредби (ЗРУ) и откритите разпределителни уредби (ОРУ) и
комутационната апаратура е необходимо да преминават периодично на тестови
изпитания:
- По допустимо провесване от собственото си тегло, а за ОРУ, в допълнение, и от
тежестта на леда;
- Изолационни разстояния на шините и отстояния на подпорните изолатори според
токовете на къси съединения (т.к.с.) и околната среда;
- Допустимо топлинно разширение на твърдите шини (при контактните
присъединявания);
- Термична устойчивост на шините;
- При ОРУ устойчивостта на шините на вятърен резонанс;
- Електродинамична устойчивост на шините и изолаторите, включително и оценка
на същата при автоматично повторно включване (АПВ);
- Съпротивлението на изолаторите и шините за различните комбинации (вятър,
електродинамична устойчивост), като е необходимо да се вземе под внимание и теглото
на самите шини;
- Качеството и силата на присъединяване на контактните съединения;
- Да не се променя механичната якост на елементите при транспортиране;
- Устойчивост на климатични фактори;
- В случаите, когато се налага подмяна (например шини от различен материал или
цялостна подмяна на производствената технология) е необходимо да се извършат
стандартните нормативно изискуеми тестове/изпитвания и изчисления;
Необходимо е и да се проверяват съоръженията за термични деформации, външни
огледи, системата изрядна ли е и отговаря ли на проектната документация.
1.3. Електродинамични сили
Изчислението на електродинамичната устойчивост на изолаторите и шините се
състои в определяне на електродинамичните товари и решаване на проблема за
5
устойчивостта на шинната конструкция на късо съединение.
Направен е преглед на литературните източници за изследване на
електродинамични сили и са посочени основните резултати, известни от литературата..
1.4. Цел и задачи на дисертационния труд
В този раздел са изложени целта и задачите на дисертацията, на базата на анализа
на състоянието на проблема.
ВТОРА ГЛАВА
ТЕОРЕТИЧНИ И ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ МЕТОДИ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА
ПРОЦЕСИТЕ И ЯВЛЕНИЯТА В ШИННИ СИСТЕМИ
2.1. Уравнения за анализ.
Математическото описание на непрекъснати в пространството и времето процеси
възникващи в електромагнитното поле на шинните конструкции се представя чрез
диференциални уравнения с частни производни – системата уравнения на Максуел.
Процесите, протичащи в електромагнитното поле могат да бъдат стационарни (не
изменящи се във времето) и нестационарни (изменящи се във времето). Стационарните
процеси се описват с елиптични уравнения, а нестационарните с параболични и
хиперболични уравнения
Имайки предвид, че в дисертацията ще бъдат изследвани шинни системи с
различна конфигурация, разглежданията са направени за тримерно поле, което дава
възможност за изследване на шини с произволна форма, размери и разположение.
Представени са двете основни формулировки, приложими при изследване на
тримерно електромагнитно поле на шинна система – A-V, А и Т-Ψ, Ψ.
Тъй като една от най-важните величини при изследването на електромагнитно
поле в шинни системи е определянето на сила, в тази глава Това е методът са представени
основните методи за нейното определяне и е избран метод за изследване в дисертацията.
Това е методът, свързан с определяне на сила върху тоководещ контур. Този метод може
да се приложи за различни видове тоководещи контури, като интегрирането се изпълнява
по обема на тоководещия контур, в изследваните в дисертацията случаи – шини. Този
подход е свързан с определянето на т.нар. Лоренцова сила, която се определя от
𝐅 = ∭ 𝐉 × 𝐁 𝑑𝑉ш𝑉ш
, (2.14)
където Vш е обемът на шината .
2.2. Методология на моделирането
При решаване на задачите, свързани с определянето на електродинамичните сили
в шинни системи с помощта на компютърно моделиране, следва да се решат различни
задачи. Отначало е необходимо да се намери разпределението на полето, впоследствие да
се определят стойностите на електродинамичните сили. Тези изследвания трябва да се
направят при различни режими на работа на системата, като най-важният е определянето
на влиянието на тока на късо съединение върху конструкцията.
В настоящия раздел са разгледани основните числени методи за анализ на
електромагнитно поле. Към настоящия момент методът с крайни елементи е
най-разпространеният метод за анализ на електромагнитни полета и затова е избран като
основен метод на теоретично изследване в дисертацията. Към основанието за избор на
този метод трябва да се посочи и наличието на редица софтуерни пакети по МКЕ,
подходящи за решаване на тримерни задачи, каквито са тези в дисертационния труд. Като
основен програмен продукт, даващ възможност за анализ чрез МКЕ, в дисертацията е
6
използван пакетът ANSYS®. В дисертационната работа за моделирането на
електродинамичните сили е използвана формулировка с магнитен вектор потенциал и
скаларен електрически потенциал - “A-V, A” формулировка с кулонова калибровка,
включена в уравнението.
2.3. Експериментални методи за изследване на шинни конструкции.
Експерименталното изследване може да бъде проведено, както на физически
модел на шинната конструкция, така и на реални шинни системи. Последното е свързано
с изпълнението на редица условия от различно естество и затова не е използвано при
изследванията в дисертацията. Физическият модел се създава, за да се провери на
практика електродинамичната устойчивост на шините получена на базата на
математическото моделиране и оразмеряване на същите. Обикновено заводите
производители, на базата на изпълнени шинни конструкции от своите проектанти,
изготвят опитни образци, които се изпитват експериментално преди въвеждането им в
производство. Други изпитвания се осъществяват при въвеждането на нови обекти в
експлоатация или след ремонтни дейности и подмяна на част от оборудването в
следствие на тежки аварийни ситуации.
В настоящия раздел са представени основните методи за изпитване на шинните
конструкции на електродинамична устойчивост, както и оборудването на лабораториите
за извършване на електродинамични изпитания.
Тъй като за целите на дисертационния труд не е възможно да бъдат използвани
комплексите от измервателни средства в оторизираните лаборатории, за целите на
експерименталните изследвания са използвани методи и средства, налични в
лабораториите на Електротехническия факултет на ТУ-София. Тези средства включват
възможност за експериментално определяне на токовете с помощта на токови
трансформатори и амперметри, определяне на електродинамичните сили, чрез
тензометрични сензори, както и експериментално изследване на загряването чрез
специализирани сензори и чрез термовизионна камера.
ТРЕТА ГЛАВА
МОДЕЛИРАНЕ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ПОЛЕТА И ЕЛЕКТРОДИНАМИЧНИ СИЛИ В УСТАНОВЕН РЕЖИМ ПРИ ТОКОВЕ БЛИЗКИ ДО НОМИНАЛНИТЕ
3.1. Въведение
Точното определяне на електродинамични сили често е затруднено с оглед на
геометрията на проводниците и свързаните с тях структури. Проблемът за устойчивост
при действие на електродинамични сили възниква в мрежовите вериги на електрическата
система. Сред основните фактори, които са от значение са: формата и здравината на
проводниците, тяхното взаимно разположение и закрепване.
Чрез прилагането на съвременните числени методи може да се предложи решение
за сложни проводникови конфигурации. Няколко особености заслужава да се отбележат:
шините може да не са в една и съща равнина, те може да бъдат в близост до метална
конструкция, която може да променя разпределението на магнитното поле, или
подредбата на шините да позволи на повърхностния ефект и ефекта близост да променят
разпределението на тока в тях.
3.2. Особености на установен режим
Изчисляването на преходните процеси в електрическите системи е възможно, ако
се познават изходните стойности на режимните параметри. От изходния установен режим
7
може да се определят, чрез изчисления тези величини. Изчисленията за установен режим
и преходен режим са свързани.
Съчетанието на основните показатели – натоварване, топлинно състояние и др.,
характеризира режима на работата. Режимът на работа включва условията за работа на
съоръженията, които се характеризират със съвкупността от стойностите на основните
показатели за тяхната работа. Върху режима на работа оказват влияние също
температурата, влажността околната среда и др.
3.3. Модел за изследване на електродинамични сили в установен режим
Изчисляване на силите за този тип проблеми, споменати по-горе, е трудно, а
триизмерният аспект изисква числен подход. Както беше посочено в глава втора, за
изследванията в дисертационния труд е избран методът на крайните елементи. За
неговата практическа реализация е приложен софтуерният продукт ANSYS®., а
използваната формулировката е “A-V, A” с магнитен вектор потенциал А и скаларен
електрически потенциал V с кулонова калибровка, включена в уравнението
Vt
AA A 0 , (3.1)
където ν =1/𝜇 , μ е магнитната проницаемост на средата.
Уравнение (3.1) е решено заедно с условието за нулева дивергенция на токовата
плътност на вихровите токове (2.9). Задачата в този случай се решава, като се изследва цилиндрична област, която
обхваща изследваните шини с достатъчна буферна зона около тях. По границите на
областта се задават гранични условия за успоредност на магнитния поток. Като
източници се задават входен и изходен ток за всяка шина (с еднаква големина) и
съответно дефазиране в зависимост от броя на шините. Задачата се решава като
хармонична, с честота 50 Hz.
3.4. Изследвани конструкции
В настоящата глава са изследвани няколко различни конструкции на шинни
системи:
А. Лабораторни системи от две или три шини.
Б. Шинни системи на реална подстанция.
3.5. Изследване на лабораторни шинни системи
3.5.1. Система от две шини
Разгледана е система от две успоредни шини с правоъгълно напречно сечение,
през които протича един и същ ток, но в противоположни посоки.
Системата е изследвана в цилиндрична област, показана на Фиг. 3.1. Както беше
посочено по-горе, изследването е направено в средата на програмния продукт ANSYS®.
Използвани са тетраедрални крайни елементи от първи ред.
8
Фиг. 3.1. Изследвана област за случая на две шини.
Пример за мрежата от крайни елементи е показан на фиг. 3.2. Мрежата по третата
ос не се вижда добре, тъй като размерът на шините в това направление на шините е
значително от по-голям от размерите на напречното им сечение.
Фиг. 3.2. Мрежа от крайни елементи в шините.
Изследванията са направени при различни амплитудни стойности на токовете по
шините и за различни разстояния между тях. По-долу са представени резултати за
амплитудна стойност на тока 500 А и разстояние между шините 20 mm.
Разпределението на реалната и имагинерната част на токовата плътност са
показани на фиг. 3.4 и фиг.3.5.
Фиг. 3.4. Разпределение на токовата плътност – реална част.
9
Фиг. 3.5. Разпределение на токовата плътност – имагинерна част.
Разпределението на токовата плътност е сравнено с разпределение, получено
използвайки двумерен (плоскопаралелен) модел и на практика е получено идентично
разпределение.
Векторно разпределение на магнитната индукция е дадено на Фиг. 3.6.
Фиг. 3.6. Векторно разпределение на магнитната индукция
На фиг.3.7 и фиг.3.8 е показано разпределението на Лоренцовата сила (средната ѝ
стойност), съответно като цветна картина и като векторно разпределение.
Фиг. 3.7. Лоренцова сила – цветна картина
10
Фиг. 3.8. Лоренцова сила - векторно разпределение.
Резултатите, получени за зависимостта на електродинамичната сила, действаща на
всяка шина за различни от амплитудния ток при различни разстояния между шините са
представени в в табличен и графичен вид.
Зависимостите на електродинамичната сила от разстоянието между шините за
различни стойности на тока са показани на Фиг. 3.13.
Фиг. 3.13. Зависимост на изчислената електродинамична сила от разстоянието между
шините.
Получените резултати от компютърното моделиране са проверени, чрез
експеримент. Шинната система, предмет на изследването в настоящия раздел, е от
лабораторна установка в катедра „Електрически апарати“ на ТУ-София.
На Фиг. 3.15 са дадени резултати от експериментално изследване на зависимостта
на електродинамичната сила от тока при едно разстояние между шините.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 20 40 60 80 100
Сила,
N
Разтояние, mm
500 A
1000 A
1500 A
2000 A
2500 A
11
Фиг. 3.15. Експериментално определена сила при разстояние между шините 20 mm.
Резултатите от компютърното моделиране и експеримента са достатъчно близки,
имайки предвид точността на експеримента.
3.5.2. Система от три шини
В настоящия раздел е разгледана шинна система, подобна на тази от т. 3.5.1, като
вместо две са изследвани три шини.
Изследваната област (три шини и буферна зона около тях) е показана на фиг. 3.16.
Изследванията са извършени при използване на трифазен модел и симетрична
система от токове при промишлена честота.
Фиг.3.16. Изследвана област за случая на три шини
За анализа, чрез МКЕ отново са използвани тетраедрални крайни елементи.
Мрежата от крайни елементи за част от шините (без буферната зона) е показана на
фиг.3.17
Фиг.3.17. Мрежа от крайни елементи в част от шините
12
Получени са резултати за различни стойности на токовете в шините – при
амплитудна стойност от 100 А до 500 А. Разстоянието между шините е 10 cm, а размерите
на напречното сечение на една шина са 30×4 mm.
Разпределението на реалната и имагинерната част на токовата плътност е дадено
съответно на фиг. 3.18 и фиг. 3.19.
Фиг. 3.18. Разпределение на токовата плътност -реална част
Фиг. 3.19. Разпределение на токовата плътност -имагинерна част
Разпределението на реалната и имагинерната част на магнитната индукция е
дадено съответно на фиг. 3.20 и фиг. 3.21.
Фиг. 3.20. Разпределение на магнитната индукция – реална част
Фиг. 3.21. Разпределение на магнитната индукция – имагинерна част
Разпределението на векторите на Лоренцовата сила е дадено на фиг. 3.22.
13
Фиг. 3.22. Разпределение на векторите на Лоренцовата сила
Получените резултати за средната стойност електродинамичната сила за трите
шини (отбелязани с F1, F2 и F3) в зависимост от големината на тока са дадени в таблица
3.2 са представени в дисертацията.
Зависимостта на електродинамичните сили върху трите шини от големината на
тока е показана на фиг. 3.23.
Фиг. 3.23. Зависимост на електродинамичните сили от големината на тока
Както се вижда, големината на електродинамичните сили в този случай е
достатъчно малка и затова за тази система не са правени допълнителни изследвания при
различни разстояния между шините.
3.6. Изследване на шинни системи в реална подстанция
Изследването на шинни системи в реална подстанция е направено за два случая на
шини с правоъгълно напречно сечение:
- шините са единични, т.е. за всяка фаза има по една шина – този случай е
означен по-долу като „единична шинна система“;
- шините са пакетни, т.е. за всяка фаза има по две шини в паралел – този случай е
означен по-долу като „пакетна шинна система“.
3.6.1. Единична шинна система
Скица на размерите и взаимното разположение в този случай е дадена на фиг. 3.24.
Фиг. 3.24. Размери и взаимно положение на единична шинна система
Изследваната област е показана на фиг. 3.25.
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0 100 200 300 400 500F, N
I, A
F1F2F1
14
Фиг. 3.25. Област на изследване на единична шинна система
Част от мрежата от крайни елементи на шините (без буферната зона около тях) е
дадена на фиг. 3.26.
Фиг. 3.26. Мрежа от крайни елементи при единична шинна система
Изследването в установен режим за единичната шинна система е направено при
промяна на токовете в шините от 500А до 5000 А.
На Фиг. 3.27 резултатите за силата са представени в графичен вид.
Фиг. 3.27. Зависимост на електродинамичните сили в трите шини от големината на
тока при единична шинна система
3.6.2. Пакетна шинна система
При тази система за всяка фаза има по две шини в паралел. Шините са с размери и
сечения показани на Фиг. 3.28.
15
Фиг. 3.28. Размери и взаимно положение на пакетна шинна система
Резултатите в установен режим са получени при същите стойности на токовете в
трите фази (от 500А до 5000 А) както в т. 3.6.1.
На фиг. 3.29 резултатите за силата при пакетна шинна система в установен режим
са представени в графичен вид.
Фиг. 3.29. Зависимост на електродинамичните сили в трите шини от големината на
тока при пакетна шинна система
При сравнение на резултатите с тези за единична шинна система се забелязва, че
при пакетната шинна система силите са по-малки, като максималната разлика не
надвишава 15%.
3.7. Основни резултати в трета глава.
В настоящата глава е разработен подход за компютърно моделиране на шинни
системи в установен режим. Подходът включва използването на метода на крайните
елементи за анализ на тримерно квазистационарно електромагнитно поле при
промишлена честота.
Разработени са компютърни модели на лабораторни шинни системи с две и три
шини, както и на два вида шинни системи в реална подстанция – с единични и пакетни
шини. Валидирането на модела е направено за случая с две шини, като е направено
сравнение с резултати от 2D анализ, както и с експеримент.
Получени са резултати при различни стойности на токовете в шините.
Получените резултати показват работоспособността на подхода за компютърно
моделиране и неговата приложимост за конкретни шинни системи.
От резултатите за електродинамичните сили в шинна система на реална
подстанция, може да се направи извода, че за изследвания случай използването на
пакетна шинна система е свързано с намаляване на силите спрямо случая на единични
шини.
16
ЧЕТВЪРТА ГЛАВА
МОДЕЛИРАНЕ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ПОЛЕТА И ЕЛЕКТРОДИНАМИЧНИ СИЛИ В ПРЕХОДЕН РЕЖИМ
ПРИ ТОКОВЕ НА КЪСО СЪЕДИНЕНИЕ
4.1. Въведение
При проектирането и експлоатацията на електрооборудването в подстанциите е
необходимо да се осигури надежна работа на всички елементи от оборудването. Всички
елементи от системата следва да функционират надежно не само в условията на
установения режим на работа, но и в аварийни условия при възникване на къси
съединения. Затова проверката на оборудването на електродинамична и термична
устойчивост при к.с. се явява необходимо условие за безотказно действие на същото.
Шинните системи спадат към пасивно работещото оборудване в енергосистемата,
те осъществяват връзката за протичане на тока между останалите елементи, както при
нормални условия така и при къси съединения. За да издържат на к.с. те трябва да
притежават определена устойчивост. В стандартите се дефинират два тока – ток на
динамична устойчивост (обявен върхов издържан ток) и ток на термична устойчивост
(обявен краткотраен издържан ток).
4.2. Основни определения и обща характеристика на процеса
Късото съединение предизвиква нарушаване на нормалната работа на
електрическите системи. Като такова може да бъде разглеждано всяко непредвидено от
условията на нормална работа съединение между фазите или при системите със заземена
неутрала (или четирипроводни) – също така съединение на една или няколко фази със
земя или с нулевия проводник.
При появата на късо съединение в електрическата система се намалява общото ѝ
съпротивление, което довежда до увеличаване на токовете в нейните клонове в сравнение
с токовете при нормален режим. Това на свой ред предизвиква понижаване на
напрежението в отделни точки на системата, което е особено голямо в местата близки до
късото съединение.
Обикновено на мястото на късите съединения се образува някакво преходно
съпротивление, състоящо се от съпротивлението на възникнала електрическа дъга и
съпротивленията на другите елементи по пътя на тока на късото съединение на една фаза
към друга или от фаза към земята. Точното определение на преходното съпротивление е
практически невъзможно преди всичко вследствие на трудностите при достатъчно
определяне на съпротивлението на дъгата, което е функция от тока и дължината на дъгата
и се изменя в много широк диапазон. В някои случаи преходните съпротивления са
толкова малки, че практически могат да бъдат пренебрегнати.
При равни други условия токът при такова к.с. е по-голям, отколкото при
наличието на преходно съпротивление. Поради това, за да се намерят най-големите
възможни токове на къси съединения, се изхожда от по-тежките условия, като се приема,
че на мястото на к.с. липсват преходни съпротивления.
Често к.с. протичат през преходно съпротивление под формата на електрическа
дъга, възникваща в мястото на повредата на изолацията. Понякога възникват директни
к.с. без преходни съпротивления. За опростяване на анализа на процеса на к.с. в
болшинството случаи, както беше посочено, за определянето на токовете на к.с. не се
отчита преходно съпротивление.
В трифазните електросъоръжения може да възникнат трифазни и двуфазни к.с.
Освен това в трифазните съоръжения с ефективно заземени неутрали, допълнително
може да възникнат така също еднофазни и двуфазни земни съединения.
17
4.3. Видове къси съединения.
В този раздел са посочени основните видове къси съединения.
4.4. Моделиране на електродинамичните натоварвания в шинните системи в
преходен режим на късо съединение.
Моделирането е извършено в преходен режим само за трифазни шинни системи,
като задачата за анализ на тримерното електромагнитно поле се решава при задаване на
изменението на токовете във времето. Уравненията за анализ са същите, както при
установен режим, само че вместо с комплексни стойности се работи с моментните
стойности на величините. Отново е използван методът на крайните елементи и
програмният пакет ANSYS®.
Разгледани са два вида шинни системи – лабораторна и в реални подстанции.
4.5. Изследване на лабораторна шинна система
Изследвана е лабораторна шинна система, състояща се от три успоредни шини с
правоъгълно напречно сечение.
На фиг. 4.6 е показана част от трите шини. Иследването може да се направи за
по-малка дължина на шините от реалната, а след това да се направи привеждане на
резултатите за реалната дължина. При това се осъществява икономия на изчислителни
ресурси.
Фиг. 4.6. Част от лабораторна шинна система.
Изследваната област, включваща трите шини и буферна зона около тях, е показана
на Фиг. 4.7.
Фиг. 4.7. Изследвана област за лабораторна шинна система.
И в тази глава са използвани тетраедрални крайни елементи. Мрежата в шините
(без буферната зона) е показана на фиг. 4.8.
18
Фиг. 4.8. Част от мрежата от крайни елементи.
Изследванията са направени при изменение във времето на токовете в трите шини
дадено на Фиг. 4.9.
Фиг. 4.9. Изменение във времето на токовете в трите фази на лабораторната шинна
система
Получени са резултати за разпределението на магнитната индукция, токовата
плътност в шините и електродинамичните сили върху тях.
Фиг. 4.10. Разпределение на магнитната индукция в момента t=5ms.
Максималната стойност на магнитната индукция се получава в зоната на средната
шина, което е логично, като се имат предвид моментните стойности на токовете в трите
шини.
Разпределението на токовата плътност за две стойности на времето – 15 и 20 ms, са
дадени на Фиг. 4.11 и 4.12.
19
Фиг. 4.11. Векторно разпределение на токовата плътност при t=15ms.
Фиг. 4.12. Векторно разпределение на токовата плътност при t=20ms.
На Фиг. 4.13 и 4.14 е дадено разпределението на токовата плътност в моментите t =
10 ms и t = 15 ms.
Фиг. 4.13. Разпределение на токовата плътност при t=10ms.
20
Фиг. 4.14. Разпределение на токовата плътност при t=15ms.
Както се вижда от горните фигури, налице е дефазиране на токовата плътност
вътре в шините в резултат на скин ефекта и ефекта близост, което е очаквано.
На фиг. 4.15 са показани резултатите за изменението във времето на
електродинамичната сила върху всяка от трите шини.
Фиг. 4.15. Електродинамични сили върху шините в преходен режим.
4.6. Изследване на шинни системи на реални подстанции
Изследването на шинни системи в реални подстанции е направено за три случая на
шинни системи:
- шините са с кръгло сечение;
- шините са единични с правоъгълно напречно сечение, т.е. за всяка фаза има по
една шина – този случай е означен по-долу като „шинна система с единични
шини“;
- шините са пакетни с правоъгълно напречно сечение, т.е. за всяка фаза има по
две шини в паралел – този случай е означен по-долу като „пакетна шинна
система“.
4.6.1. Шини с кръгло сечение
Тази система се състои от три успоредни шини с кръгло напречно сечение,
разположени в една равнина. Шините са с външен диаметър Ø 70 mm и радиална
дебелина 3 mm, разстоянието между осите на шините е 2 m.
Общ вид на изследваната област заедно с буферната зона около шините е даден на
Фиг. 4.16.
21
Фиг. 4.16. Изследвана област за шинна система с кръгли шини.
Резултати за разпределението на магнитната индукция, токовата плътност и
Лоренцовата сила са дадени съответно на фигури 4.17, 4.18 и 4.19. Резултатите и на трите
фигури се отнасят за момента t = 20 ms.
Фиг. 4.17. Векторно разпределение на магнитната индукция.
Индукцията е максимална в областта на средната шина.
Фиг. 4.18. Векторно разпределение на токовата плътност.
22
Фиг. 4.19. Разпределение на плътността на Лоренцовата сила .
Изменението във времето на зададените токове в трите фази и на получената
електродинамична сила върху тях са дадени на Фиг. 4.20 и 4.21.
Фиг. 4.20. Изменение във времето на токовете в трите фази на шинна система с кръгли
шини
Фиг. 4.21. Електродинамични сили върху шините в преходен режим.
Най – голямо натоварване получават втората и третата шина, при съответните
максимуми на токовете.
Стойностите на електродинамичните сили тук не са големи, тъй като при
изследваните токове и сравнително голямото разстояние между шините не следва да се
очакват разрушаващи електродинамични сили.
23
4.6.2. Шинна система с единични шини с правоъгълно сечение
В настоящия раздел е изследвана конструкцията на шинна система с единични
шини с правоъгълно напречно сечение, описана в т. 3.6.1.
Изследването е направено при ефективна стойност на установен ток на късо
съединение 10 kA.
Изменението на токовете в трите шини е дадено на фиг. 4.22.
Фиг. 4.22. Изменение във времето на токовете при шинна система с единични шини в
реална подстанция.
Изменението на електродинамичните сили върху трите шини е дадено на фиг.
4.23.
Фиг. 4.23. Изменение във времето на електродинамичните сили при шинна система с
единични шини в реална подстанция.
Вижда се ясно, че стойностите на силите са значително по – големи от тези при
установен режим и токове близки до номиналните – около 60 пъти. Най-големите
стойности отново се получават при втора и трета шина, тъй като при тях токовете имат
значително по-висок максимум, отколкото на тока на първа шина.
4.6.3. Шинна система с пакетни шини с правоъгълно сечение
Изследваната шинна система е описана в т. 3.6.2.
Изследването е направено при същата ефективна стойност на тока на късо
съединение, както тази в предходния раздел - 10 kA.
Частта от мрежата от крайни елементи в шините (без буферната зона) е показана
на Фиг. 4.24.
24
Фиг. 4.24. Мрежа от крайни елементи при шинна система с пакетни шини
Получените резултати за електродинамичните сили върху трите пакетни шини са
дадени на Фиг. 4.25.
Фиг. 4.25. Изменение във времето на токовете при шинна система с пакетни шини в
реална подстанция.
Най-големите стойности на електродинамичните сили при пакетни шини са
по-малки от тези при единични шини, независимо от това, че са много близки. Като се
има предвид, че и при установен режим електродинамичните сили при пакетни шини
бяха по-малки от тези при единични шини, може да се направи извода, че за разглеждания
случай за предпочитане е инсталирането на пакетни шини.
4.7. Основни резултати в четвърта глава.
В настоящата глава са разработени компютърни модели на трифазни шинни
системи в преходен режим на късо съединение.
Направени са изследвания на една лабораторна шинна система и три шинни
системи в реални подстанции. Получени са резултати за разпределението в
пространството и времето на магнитната индукция, токовата плътност и
електродинамичните сили.
Направено е сравнение между електродинамичните натоварвания на шинни
системи с единични и пакетни шини и е установено, че за изследвания случай от тази
гледна точка е препоръчително използването на пакетни шини.
25
ПЕТА ГЛАВА
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНО И ТОПЛИННО ПОЛЕ В ШИННА
СИСТЕМА В РЕЖИМ НА КЪСО СЪЕДИНЕНИЕ
5.1. Въведение.
В повечето случаи в практиката трифазните токове на късо съединение имат
най-високи величини и произвеждат най-силно изразени топлинни натоварвания.
Въздействието им обикновено се разглежда, като термично оразмеряване.
Техническият прогрес изисква постоянното подобряване на шините. Основната
цел в развитието на шинните системи е да се увеличи ампер капацитета на компонентите
и намаляване на изискванията за материал. В резултат на протичане на ток в шини
възникват загуби на мощност, която се превръща в топлина. Поради техническите
ограничения, разсейването на топлина трябва да бъде засилено, или загубите на
електроенергия в шини трябва да бъдат намалени, за да останат в температурни граници.
Методите, по които се изчислява сечението на проводниците в електрическите
мрежи, се основават на:
- допустимо загряване;
- термична устойчивост на т.к.с.;
- допустима загуба на напрежението;
- икономически показатели;
- загуби от явлението корона;
- механични показатели.
За да запазят проводниците своите електрически, физични и механични качества,
тяхната температура не трябва да надвишава определени максимално допустими
стойности. Температурата на проводника (шината) зависи от температурата на околната
среда, отделената в него топлина (пропорционална на квадрата на протичащия ток) и от
условията на охлаждането му.
Основните режими за загряване на проводниците при протичане на електрически
ток са:
Продължително нагряване при протичане на работния ток в установен
режим на работа;
Кратковременно нагряване при протичане на ток на късо съединение в
авариен режим на работа.
5.2. Подход за решаване на задачата
За компютърното моделиране е необходимо да се реши смесена задача
електромагнитно-топлинно поле. Смесената задача се решава чрез метода на крайните
елементи и програмния продукт QuickField™. За експерименталното изследване на
температурата на шините, се използват два метода:
- чрез сензор за измерване на температурата на шините – представляващ
интегрална схема тип SMT 160 – 30 – 18, която е генератор на правоъгълни импулси.
Коефициентът на запълване на тези импулси е пропорционален на температурата;
- експериментално изследване с термовизионна камера FLIR P640.
Лабораторната шинна система (Фиг. 5.1) се състои от три различни шини с едно и
също напречно сечение: небоядисана алуминиева шина Al 30 х 4 mm, боядисана
алуминиева шина Al 30 х 4 mm и медна шина Cu 40x3 mm, всички с дължина от 800 mm.
На всяка шина се подава напрежение от собствен трансформатор, като по този начин се
26
дава възможност за установяване на различни токове в различните шини.
Фиг. 5.1. Изследвана конструкция на шинна система
При първия етап се решава смесената задача при установен режим на
електромагнитното и топлинното поле. Решението от първия етап дава началните
условия за решаване на смесената задача за преходния процес на втори етап.
При втория етап се решава смесена задача електромагнитно-топлинно поле, като
електромагнитното поле се изследва като хармонично във времето, а топлинното се
изследва в преходен режим с началните условия за температурата, получени в първия
етап. При това се отчита и зависимостта на различните свойства от температурата.
5.3. Резултати от моделирането и експеримента
Като се има предвид геометрията на системата, областта се моделира като
двумерна. Програмата QuickFieldTM, която е подходяща за решаване на смесени задачи
от този тип, се използва за решаване на проблема. Токовете, определени за трите шини от
втория етап са както следва: Al - 1300 А, Al боядисана - 1350 А, Cu - 1400 А. Шините (след
предварително загряване) са подложени на тези токове за интервал от време 6 секунди.
На Фиг. 5.3 и Фиг. 5.4 е показано разпределението на токовата плътност и
Джауловите загуби в шините. Вижда се, че средната шина е най-натоварена. Това се
дължи освен на по-големия ток протичащ през нея, също и на факта, че това е боядисана
шина и топлообменът с околната среда е затруднен спрямо случая на небоядисана шина.
Фиг. 5.3. Разпределение на токовата плътност в шините
27
Фиг. 5.4. Разпределение на Джауловите загуби в шините
На Фиг. 5.5 са дадени резултатите за разпределението на температурана в края на
процеса на загряване.
Фиг. 5.5. Разпределение на температурата в края на процеса на загряване
Изменението във времето на температурата на средните точки на шините е
показано на Фиг. 5.6.
Фиг. 5.6. Изменение във времето на температурата в трите шини
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6
Tme (s)
Te
mp
era
ture
(d
eg
C)
Copper
Al painted
Al
28
При измерването на температурата на лабораторния модел чрез сензора тип SMT
160 – 30 – 18 и заснемането на правоъгълни импулси на осцилоскоп и изчисляването на
коефициента на запълване получената температура е крайната за периода от 6s.
Резултатите за изменението във времето на температурата на трите шини,
получени чрез термовизоонната камера, са дадени на Фиг. 5.8.
Фиг. 5.8. Резултати от експерименталното определяне на температурата чрез
термовизионна камера
Картината на разпределението на температурата, получена чрез термовизионната
камера в края на процеса на загряване е дадена на Фиг. 5.9.
Фиг. 5.9. Изображение на разпределението на температурата в края на процеса на
загряване, получено чрез термовизионна камера
Чрез тези два независими начина на измерване се наблюдава много малка разлика
- в рамките на 1.5%, което установява, че измерванията със сензора тип SMT 160 – 30 – 18
са коректни, но чрез термокамерата може да се проследи изменението на температурата
във времето, което също е много важно.
Сравнението между компютърното моделиране и експеримента също показва
много добро съответствие.
5.4. Основни резултати от пета глава.
Предложен е подход за компютърно моделиране на смесената задача
електромагнитно-топлинно поле в шинна система в режим на късо съединение. Задачата
е решена за лабораторна шинна система.
Подходът е подходящ за анализиране на електромагнитно и топлинно поле в
режим на късо съединение и е проверен, чрез два независими експериментални подхода.
0
20
40
60
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Опит термо камера
Aluminium Aluminium painted Copper
29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящия дисертационен труд са разработени и приложени подходи за
моделиране на поведението на шинни системи в подстанции на основата на анализ на
полетата в тях.
Основните научно-приложни приноси може да бъдат обобщени по следния начин:
1. Разработен е подход за компютърно моделиране на шинни системи в
установен режим. Подходът включва използването на метода на крайните
елементи за анализ на тримерно квазистационарно електромагнитно поле при
промишлена честота. Подходът включва използването на готов програмен
продукт и е приложен за лабораторни шинни системи и за шинни системи в
реални подстанции.
2. Разработен е подход за компютърно моделиране на трифазни шинни системи в
преходен режим на късо съединение на основата на метода на крайните
елементи и готов програмен продукт. С помощта на подхода са направени
изследвания на една лабораторна шинна система и три шинни системи в
реални подстанции. Получени са резултати за разпределението в
пространството и времето на магнитната индукция, токовата плътност и
електродинамичните сили.
3. Направено е сравнение между електродинамичните натоварвания на шинни
системи с единични и пакетни шини и е установено, че за изследвания случай
от тази гледна точка е препоръчително използването на пакетни шини.
4. Предложен е подход за компютърно моделиране на смесената задача
електромагнитно-топлинно поле в трифазна шинна система в режим на късо
съединение. Задачата е решена за лабораторна шинна система и е направена
експериментална проверка по два метода.
В заключение може да се обобщи, че разработените в дисертационния труд
подходи за компютърно моделиране на електродинамични сили в шинни системи са
работоспособни и може да бъдат използвани при проектирането и изследването на шинни
системи в подстанции.
30
СПИСЪК
на публикациите по дисертацията
1. T. Radeva, V. Mateev, I. Yatchev, K. Boev. Three-dimensional finite element modelling
of the forces on busbars. Proceedings of Full Papers, 10th International Conference on
Applied Electromagnetics – ПЕС 2011, September 25 - 29, 2011, Niš, Serbia.
2. Т. Радева, И. Ячев, К. Боев. Електродинамични сили в трифазна шинна система.
Сборник доклади на III Научна конференция ЕФ 2011, том 2, сс. 5-12.
3. T. Radeva, I. Yatchev, A. Krumov. 3D FEA of the transient process at short-circuit
current of a laboratory busbar model. XVII-th International Symposium on Electrical
Apparatus and Technologies SIELA 2012, Proceedings, Volume II, Bourgas, 2012, pp.
159-164.
4. T. Radeva. Finite element modelling of the transient process at short-circuit current of a
three-phase busbar system in a substation. 6th International PhD Seminar on
Computational Electromagnetics and Bioeffects of Electromagnetic Fields – CEMBEF
2012, June 28-30, 2012, Novi Sad, Serbia.
5. T. Radeva. Comparison between different rigid substation busbars using
three-dimensional finite element modelling. 8th International PhD Seminar on
Computational Electromagnetics and Electromagnetic Compatibility – CEMEMC 2014,
September 02-04, 2014, Timisoara, Romania.
6. T. Radeva, I. Yatchev, D. Karastoyanov, N. Stoimenov, S. Gyoshev. Coupled
electromagnetic and thermal field modeling of a laboratory busbar system.International
Journal of Electrical, Robotics, Electronics and Communications Engineering Vol:8
No:9, 2014, pp. 1240-1244.
31
ABSTRACT
STUDY OF ELECTRODYNAMIC FORCES IN SUBSTATION BUSBAR SYSTEMS
Author: M.Sc. Eng. Tatyana Radeva Radeva
Busbar technology is more and more used to implement connections in response to the
growing need of compactness in substations. In the distribution devices, busbars systems are
often preferred over cable lines because of their many advantages, including easy installation
and operation, efficiency and reliability. The issue of withstanding electrodynamic forces is still
of interest to designers as a result of the application of modern numerical methods, which
provide a solution for complex busbar configurations.
For the studying of the electrodynamic forces are developed: theoretical and
experimental methods for studying processes and phenomena in busbar systems, theoretical
system for investigation of fields, processes and phenomena regarding modeling of
electromagnetic fields and electrodynamic forces during various current states, investigation of
electromagnetic and thermal fields under short-circuit conditions; modern approach and a
system for experimental study with number of methods developed in recent years to numerically
solve the problems described by differential equations. Analysis of busbar systems for power
distribution between loads under various conditions is made. Assessment of theoretical,
experimental and computer-aided numerical methods is realized.
The developed systems and models could be applied for the most important aspect -
obtaining accurate results with the help of the developed computer models using finite element
analysis of the substation structure, based on an accurate mathematical model of the structure
and its externally applied forces.
