2024 № 2 Енергетика: надійність та енергоефективність

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/84810

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 12

Обґрунтування схеми плавлення ожеледі на проводах повітряних ліній електропередачі
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Шматов, Антон Олексійович
У статті розглядається актуальна проблема, пов'язана з утворенням ожеледно-паморозних відкладень на проводах повітряних ліній електропередачі, що викликає значні технічні труднощі у забезпеченні надійності електропостачання, особливо в умовах зимового періоду. Нагромадження льоду та паморозі на проводах призводить до збільшення ваги проводів, що може спричинити їх провисання, пошкодження ізоляторів, руйнування опор і, як наслідок, серйозні аварії на лініях електропередачі. Проаналізовано причини аварій в електричних мережах внаслідок ожеледно-паморозних відкладень та виявлено, що їх усунення дозволить знизити ймовірність пошкодження повітряних ліній електропередачі від дії ожеледних навантажень. Однак, існуючі методи боротьби з цією проблемою мають ряд недоліків, таких як висока вартість, низька ефективність у певних умовах, а також негативний вплив на навколишнє середовище. У статті представлено схему плавлення ожеледі на проводах повітряних ліній електропередачі методом трифазного короткого замикання при живленні від джерела живлення з глухозаземленою та ізольованою нейтраллю. Дана схема дозволяє локально підвищити температуру проводів до рівня, який достатній для розтоплення льоду та паморозі, що знижує ризик аварійних ситуацій і забезпечує безперебійну роботу електричної мережі. У статті наведено теоретичні обґрунтування схеми для плавлення ожеледі струмами трифазного короткого замикання, які підтверджують її ефективність. Проведений аналіз показав, що запропонована схема є економічно доцільною, оскільки дозволяє знизити витрати на обслуговування та ремонт повітряних ліній електропередачі. Крім того, вона є екологічно безпечною, оскільки не передбачає використання хімічних речовин.
Розробка теплової моделі маслонаповненого трансформатора в середовищі Ansys
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Шевченко, Сергій Юрійович; Данильченко, Дмитро Олексійович; Ганус, Роман Олексійович
У роботі детально розглянуто моделювання теплових режимів підземної підстанції з використанням програмного середовища Ansys. Основна увага приділена маслонаповненому трансформатору ТРДН-63000/110, для якого створено спрощену геометричну модель у модулі Design Modeler. Моделювання теплових процесів виконано в Ansys Steady-State Thermal із використанням трикутної сітки та налаштуванням параметрів матеріалів, таких як теплопровідність і властивості охолоджувального середовища. У дослідженні проаналізовано режими роботи трансформатора: коротке замикання, холостий хід та перехідні стани. У режимі короткого замикання результати моделювання показали, що при використанні трансформаторної оливи максимальна температура активної частини знижується до діапазону 67–91 °C, що є значно нижчим, ніж у випадку повітряного охолодження, коли температура перевищувала допустимі значення (225 °C). У режимі холостого ходу максимальна температура трансформатора склала лише 35 °C, що свідчить про ефективність масляного охолодження навіть при мінімальних енергетичних навантаженнях. Особливу увагу приділено дослідженню залежності максимальної температури активної частини трансформатора від щільності теплових потоків у різних режимах роботи. Показано, що максимальна температура прямо пропорційно залежить від навантаження та густини теплових потоків, а найбільша інтенсивність тепловіддачі спостерігається поблизу обмоток.
Оптимізація режиму розподільчої мережі по напрузі в сучасних умовах
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Хоменко, Ігор Васильович; Шкребела, Андрій Вячеславович; Орлов, Віктор Сергійович
У статті розглянуто фрагмент реальної розподільчої електричної мережі напругою 35–110 кВ, яка складається з замкненої конфігурації мережі 110 кВ із відгалуженнями напругою 35 кВ. Використано реальні технічні параметри трансформаторів, встановлених у вузлах навантаження, а також характеристики проводів ліній електропередач. Для аналізу було враховано актуальні значення навантажень з врахуванням роботи альтернативних джерел енергії, під'єднаних до кожного з вузлів. Під впливом цих факторів деякі вузли навантаження перетворюються на генераторні. Отримана розрахункова схема заміщення цієї мережі з урахуванням як поздовжніх, так і поперечних параметрів. Розглянуто алгоритм розрахунків, який використовується для аналізу режимів роботи електричної мережі. Проведено числові розрахунки нормальних режимів роботи мережі за допомогою розрахункової програми, що дозволило дослідити вплив регулювання напруги на втрати електричної енергії. Зокрема, було досліджено, як впливає зміна рівня напруги в базисному та балансуючому вузлі мережі напругою 110 кВ на усталений нормальний режим роботи всієї мережі. Дослідження включає порівняльний аналіз втрат електричної енергії для різних компонент: активної та реактивної складових потужності. Такий підхід дозволяє зробити висновки щодо впливу заходів регулювання напруги на втрати електричної енергії. На основі виконаних розрахунків визначено кількісний та якісний вплив підвищення рівнів напруги у базисному вузлі на зменшення втрат електроенергії у всій мережі в цілому. Таким чином, було зроблено висновок про можливість оптимізації режиму роботи електричної мережі за напругою.
Розрахунок магнітного поля низьковольтного струмопроводу вбудованої трансформаторної підстанції
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Пєлєвін, Дмитро Євгенович
Вбудовані трансформаторні підстанції є джерелом небезпечного для здоров’я населення магнітного поля промислової частоти у наближених до них житлових приміщеннях, що потребує його зменшення до діючих санітарних норм. Метою роботи є розробка аналітичної методики розрахунку магнітного поля поблизу низьковольтного струмопроводу вбудованої у житловий будинок трансформаторної підстанції 6(10)/0,4 кВ старої забудови, що не має обмежень з відстані до розрахункової зони. Використовуючи закон Біо-Савара та принцип суперпозиції побудовано математичну модель магнітного поля окремих прямолінійних ділянок струмопроводу, та розроблено аналітичну методику розрахунку магнітного поля низьковольтного струмопроводу трансформаторної підстанції, що визначає індукцію її магнітного поля в цілому. Здійснено верифікацію розробленої методики розрахунку магнітного поля шляхом експериментальних досліджень на магнітовимірювальному стенді інституту повномасштабного лабораторного макету низьковольтного струмопроводу трансформаторної підстанції потужністю 100 кВА, які підтвердили співпадіння результатів розрахунку та експерименту з розкидом не більше 5 %. Виявлено характер розподілу магнітного поля над трифазним низьковольтним струмопроводом, який близький до дипольного, що визначає можливість його ефективного зменшення простішими системами активного екранування з однією компенсаційною обмоткою.
Порівняльний аналіз накопичувачів енергії різних типів - літій-залізо-фосфатних (LiFePO4) та натрій-іонних (Na-Ion)
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Оксенич, Руслан Валерійович; Мірошник, Олександр Олександрович; Мороз, Олександр Миколайович; Пазій, Володимир Григорович
Зберігання енергії – це процес накопичення, вивільнення та управління енергією, який відбувається за допомогою накопичувачів. На сьогодні цей принцип зберігання енергії наразі відіграє важливу роль в енергопостачанні. Оскільки відновлювані джерела стають все більш відповідальними за виробництво енергії. Більше того, оскільки неможливо регулювати кількість енергії з відновлюваних джерел, необхідно зберігати енергію в періоди меншого попиту або більшого виробництва, з таких джерел, як сонячна та вітрова енергія. Протягом останнього століття було розроблено широкий спектр технологій зберігання енергії – від масштабних гідроелектростанцій до передових електрохімічних накопичувачів. Гідроелектростанції залишаються основним способом довготривалого зберігання енергії завдяки їх високій ємності та довговічності. Водночас батареї накопичувачі на основі літій-залізо-фосфату та натрій-іонну відкривають нові можливості для зберігання енергії на локальному рівні, що робить їх перспективними для інтеграції у сучасні енергосистеми. Крім того, ефективне використання накопичувачів енергії дозволяє мінімізувати ризики нестачі електроенергії у критичні періоди та забезпечити стабільність енергосистеми. Це досягається завдяки здатності накопичувачів ефективно вирівнювати навантаження, компенсувати коливання генерації відновлюваних джерел та забезпечувати надійне резервне живлення. Зокрема, технології LiFePO4 та Na-Ion демонструють високу енергоефективність, що дозволяє інтегрувати їх у різні сегменти енергосистеми – від побутових пристроїв до масштабних промислових установок. Їх використання також сприяє зниженню вуглецевого сліду енергетичного сектору, що є важливим для досягнення цілей сталого розвитку. У даній роботі виконано порівняння двох видів електрохімічних накопичувачів – LiFePO4 та Na-Ion. Особливу увагу приділимо їх довговічності, енергоефективності, матеріалам, з яких вони виготовлені, а також технічним характеристикам. Також, буде оцінено їх економічну доцільність та перспективи впровадження у комерційних і побутових застосуваннях.
Прогнозоване управління системою опалення з використанням IoT та предиктивної аналітики
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Ноздренков, Валерій Станіславович; Павлов, Андрій Володимирович; Олексієнко, Галина Андріївна; Журавльов, Олександр Юрійович; Журавльов, Юрій Олександрович
У статті розглядаються принципи та методи прогнозованого управління системами опалення з використанням технологій Інтернету речей (IoT) та предиктивної аналітики. Представлено модель керування процесом нагрівання приміщення, яка враховує теплові втрати та використовує алгоритми регулювання, що базуються на прогнозуванні зовнішньої температури. Основою моделі є інтеграція даних від IoTдатчиків і хмарного сервісу OpenWeatherMap, що дозволяє формувати коригувальний сигнал для оптимізації енергоспоживання та забезпечення стабільності температури. Запропоновано підхід до адаптації традиційних регуляторів (ПІ/ПІД) для дискретного режиму роботи котла, що гарантує якість перехідних процесів без перерегулювань і значних температурних коливань. У роботі детально описано реалізацію моделі в середовищі MATLAB Simulink, а також програмну інтеграцію через платформу Node-RED із використанням протоколу ModBus TCP. Крім того, досліджено ефективність розподіленої архітектури типу "сервер–виконуючий пристрій", яка забезпечує зручну інтеграцію IoTсистем із зовнішніми сервісами. Результати моделювання підтверджують, що врахування прогнозованих змін зовнішньої температури дозволяє суттєво знизити витрати енергії, зберігаючи тепловий комфорт і стабільність системи. Запропонована методика демонструє потенціал впровадження енергоефективних рішень для автоматизації управління кліматом у приміщеннях, а також перспективи подальшого використання IoT-технологій у цьому напрямку.
Методологія аналізу впливу електромобілів на розподільчу мережу: теоретичний підхід
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Ноздренков, Валерій Станіславович; Дяговченко, Ілля Миколайович; Петровський, Михайло Васильович
Зростання попиту на електроенергію та стрімке поширення електромобілів створюють значні виклики для низьковольтних розподільчих електромереж, зокрема для їх критично важливих компонентів, таких як розподільчі трансформатори. Інфраструктура, спроєктована для традиційних навантажень, стикається з ризиком перевантаження через високі пікові навантаження, спричинені неконтрольованим заряджанням електромобілів. У цій статті розроблено комплексний методологічний підхід для оцінки впливу процесів заряджання на довговічність розподільчих трансформаторів із врахуванням різних рівнів проникнення електромобілів, комбінацій електричних навантажень та локальних умов експлуатації. Дослідження базується на гіпотезі, що оптимізація графіків заряджання, зокрема перенесення його на непікові години, може суттєво зменшити швидкість старіння трансформаторів і підвищити надійність електропостачання. Запропонована методологія використовує модель на основі нечіткої логіки, яка інтегрує численні фактори, що впливають на експлуатаційні характеристики трансформаторів, включаючи температуру навколишнього середовища, вплив гармонійних спотворень, рівень компенсації реактивної потужності, наявність зворотних потоків енергії від фотоелектричних установок та ризики перевантаження. У роботі розглянуто сценарії заряджання на вимогу, заряджання в непіковий час та комбінований режим із використанням технології «автомобіль-домівка» (V2H), що забезпечує інтеграцію електромобілів як резервного джерела енергії для побутових потреб. Результати дослідження демонструють, що запровадження таких підходів дозволяє мінімізувати витрати на модернізацію мережі, забезпечуючи стабільність її роботи навіть за умов високого рівня проникнення електромобілів. Представлена методологія слугує основою для розробки адаптивних стратегій управління енергетичними ресурсами, спрямованих на покращення стійкості системи розподілу, подовження терміну служби трансформаторів та підвищення економічної ефективності інфраструктури.
Аналіз видів пробою полімерної ізоляції
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Ніконов, Микола Сергійович; Шевченко, Сергій Юрійович
В роботі досліджено теорію утворення каналу електричного пробою в полімерних діелектриках. Процес експлуатації електричних мереж досить складний, бо діелектричні матеріали під дією напруженості електричного поля втрачають свої ізоляційні властивості, що спричинює руйнування молекулярних зв’язків. Такому явищу дали назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності та втрати діелектричних властивостей, з наступним утворенням каналу пробою з високою електричною провідністю. Додаткові фактори, такі як умови охолодження ізоляції, зовнішнє механічне навантаження, дія ультрафіолетового випромінювання, температура навколишнього середовища, вологість повітря, наближеність до магістральних шляхів, на яких періодично проводять обробку хімічними реагентами, ступінь забрудненості району, наявність колонії грибів на поверхні, прискорюють процес руйнування ізоляційних властивостей діелектрика. У роботі розглянуто класифікацію видів пробою полімерної ізоляції за фізичною природою виникнення, як-от електричний, електротепловий (тепловий), електромеханічний та електрохімічний пробої. Дослідження цих процесів має суттєвий вплив, адже процес діагностики неозброєним оком деяких видів пробою ускладнюється через протікання процесу всередині ізоляції та не завдає пошкодження всьому ізоляту на відміну від класичної фарфорової або скляної. Прикладом такого процесу є електротепловий пробій. Причина його виникнення зумовлена порушенням теплової рівноваги в діелектрику між процесами тепловиділення та тепловіддачі. Зростання температури діелектрика збільшує його електропровідність, збільшуються струми витоку та виділяється в ізоляції тепло. Підвищення температури впливає на збільшення електропровідності діелектрика, що також виділяє додаткове тепло та створює лавиноподібний процес розігріву діелектрика та подальшого пробою.
Визначення зусиль у енергоефективній системі електромагнітного утримання заряду
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Любарський, Борис Григорович; Кривошеєв, Сергій Юрійович; Єресько, Олександр В'ячеславович; Галиця, Віталій Іванович; Поляков, Ігор Володимирович; Любарський, Дмитро Борисович
Стаття розглядає проведення чисельного експерименту щодо визначення зусиль у системі електромагнітного утримання метального заряду газодетонаційного пускового пристрою на підставі розрахунку магнітного поля методом скінчених елементів у тривимірній постановці задачі. Для впровадження технології запуску метального заряду за допомогою газодетонаційного пускового пристрою у вітчизняне виробництво проведено дослідження та розробка системи його керування, елементом якої є електромагнітний пристрій утримання заряду. Основними параметрами, що використовуються для керування енергією запуску, є початковий тиск та об’єм стисненого газового заряду. Величина цих параметрів залежить від умов нагнітання газового заряду в пристрої, що впливає на його подальші характеристики під час ініціювання запалення. Проведено дослідження щодо визначення впливу умов нагнітання газового заряду на його стан до моменту запалення. Зокрема, аналізувалися вплив тиску нагнітання на параметри газового заряду в момент спрацьовування клапану. Результати досліджень показали, що тиск нагнітання має суттєвий вплив на кінцевий тиск газового заряду під час повного спрацювання клапану, який є важливим фактором для точного контролю дальності польоту. Проведено чисельний експеримент, при якому струм у обмотці змінюється від 0 до 12 А. За результатами розрахунків отримано розподіл магнітного поля у вигляді магнітної індукції у розрахунковій області. Розподіли індукції при різних значеннях струму мають подібний вигляд, однак індукція збільшується зі збільшенням струму, що обумовлено збільшенням напруженості поля при збільшенні сумарного струму. Визначено, що найбільше значення індукції від 2,2 до 2,7 Тл. знаходиться у п’яті метального заряду, це обумовлено тим фактом, що площа поперечного перерізу у напрямку руху загального магнітний потоку менша ніж у корпусі магніту та стакані. За результатами проведеного чисельного експерименту визначено, що зусилля утримання метального заряду 1000 Н досягається при струмі котушки 2,41 А.
Дослідження усталених режимів електричної мережі 110 кВ та мінімізація втрат активної потужності
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Загайнова, Олександра Анатоліївна; Сердюкова, Галина Миколаївна
Об'єктом аналізу є розподільча електрична мережа, що являє собою фрагмент реальної діючої мережі 110 кВ. Джерела живлення представлені чотирма вузлами, а споживачами є чотирнадцять підстанцій: 9 із триобмотковими трансформаторами 110/35/10 і 5 із двообмотковими трансформаторами 110/10. Сумарна потужність, що споживається, дорівнює 51,7 МВт. Для розрахунку усталених режимів були використані нелінійні вузлові рівняння у формі балансу потужностей у полярній системі координат. Для визначення напруги у всіх вузлах електричної мережі і перетоків потужності використали відповідні математичні моделі електричної мережі. На окремих ділянках мережі виявлені значні перетоки реактивної потужності, які є небажаними для ефективної роботи мережі. Для того, щоб режим роботи електричної мережі при заданих потужностях відповідав нормам відхилення напруги у вузлах і струмові навантаження для елементів мережі були припустимі, використані заходи зниження втрат потужності в електричних мережах. Було проведено аналіз зміни втрат потужності від зміни напруги балансуючого вузла. Збільшення напруги на шинах балансуючого вузла на 5 кВ зменшили сумарні втрати активної потужності з 0,9086 МВт до 0,8305 МВт. Також після підключення батареї статичних конденсаторів у вузлах електричній розподільчої мережі значно зменшились втрати активної потужності. До підключення батареї статичних конденсаторів втрати становили 0,9086 МВт, а після підключення втрати склали 0,7890 МВт. Було проаналізовано вплив на втрати активної потужності примусова зміна потокорозподілу у мережі шляхом розмикання контурів замкнутої розподільної мережі. Розмикання контурів мережі, яку аналізували, не веде до зменшення сумарних втрат активної потужності, оскільки дана мережа 110 кВ практично однорідна. Практична значимість отриманих результатів полягає у можливості зменшення втрат потужності в мережах шляхом нормалізації режиму напруги та більш повної компенсації реактивної потужності в них.