//Электрика.
– 2008. – № 10.– С. 38–39.
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
Н. П. Гужов
Новосибирский государственный технический университет
При подготовке специалистов высшего образования по специальности "Электроснабжение" немаловажное значение имеет физическое моделирование системы электроснабжения. В связи с этим на кафедре "Системы электроснабжения предприятий" НГТУ ещё в 80-е годы прошлого столетия разработаны принципы реализации указанной задачи, которые были воплощены в универсальные лабораторные модели разных поколений.
За последние годы кафедра приобрела опыт изготовления указанных лабораторных установок, образцы разных поколений которых используются во многих вузах стран СНГ (Москва, Алма-Ата, Мариуполь, Томск, Тюмень, Рубцовск, Йошкар-Ола, Красноярск). Эти установки позволяют проводить лабораторные работы по нескольким дисциплинам учебного плана подготовки бакалавра по направлению "Электроэнергетика" и инженерной подготовки по специальности "Электроснабжение".
В настоящее время модель представляет собой автоматизированную установку, позволяющую исследовать определённые физические процессы, связанные с электроснабжением потребителей.
Модель предназначена для использования в учебном процессе и представляет собой комплект взаимосвязанных блоков с единым управлением. Каждый из блоков моделирует соответствующую часть системы электроснабжения (СЭС): главную понизительную подстанцию 110/10 кВ, в которой трансформатор оснащён устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН); высоковольтную распределительную сеть; цеховую трансформаторную подстанцию 10/0,4 кВ, где трансформатор имеет устройство ПБВ; низковольтную распределительную сеть; низковольтную нагрузку с нелинейной вольтамперной характеристикой и фильтрокомпенсирующим устройством; регулируемые конденсаторные установки 10 кВ и 0,38 кВ; синхронный электродвигатель – как источник реактивной мощности. Модель имеет стилизованный под пульт управления конструктив, в котором размещены функциональные блоки. Они унифицированы, но в составе модели требуют индивидуальной настройки; блочно-модульная структура обеспечивает высокую эксплуатационную надёжность. На лицевой панели изображена мнемосхема СЭС, размещены органы управления, приборы учёта и измерения параметров режима работы системы электроснабжения и качества напряжения, контактные гнёзда для подключения внешней аппаратуры.
Электрическая нагрузка для системы электроснабжения реализована в виде высоковольтной (присоединённой к РУ 10 кВ главной понизительной подстанции) и низковольтной, присоединённой к РУ 0,4 кВ цеховой ТП. За 12 минут реального времени при управлении моделью контроллером реализуется суточный режим работы электрифицированного технологического процесса производственного цеха (и промышленного предприятия в целом) в виде 48 среднеинтервальных значений активной и реактивной мощности.
Контроллер сопряжён с компьютером, на который выводятся мнемосхема (с изображением оперативного состояния электрических аппаратов) и численные значения среднеинтервальных активных и реактивных нагрузок, а также напряжений на шинах РУ 10 кВ, РУ 0,4 кВ и тока в линии электропередачи, идущей к цеховой ТП.
Разработано и методическое обеспечение по выполнению ряда лабораторных работ, таких как:
1. Исследование режимов электропотребления, оценка потерь электроэнергии в системе электроснабжения. В ходе лабораторной работы изучается моделируемая схема, производится исследование характеристик графиков нагрузки на суточном интервале времени, а также определяются потери мощности и электроэнергии с оценкой их доли, обусловленной неравномерностью режимов электропотребления. Получение информации о графиках нагрузки производится с помощью микропроцессорного контроллера с последующей обработкой на компьютере;
2. Разработка экономически целесообразного режима работы двухтрансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. На основе анализа графика нагрузки подстанции производится расчёт экономически целесообразного режима работы двухтрансформаторной ТП, который реализуется на модели. Оценивается эффект в виде снижения потерь электрической энергии и в рублях;
3. Анализ процессов нагрева элементов электрической сети, оценка расчётной электрической нагрузки. В ходе работы исследуется процесс нагрева кабеля напряжением 10 кВ и трансформатора цеховой подстанции на суточном интервале времени, определяются их расчётные нагрузки как эквивалентные по максимальному перегреву;
4. Исследование и регулирование уровней напряжения в промышленных электрических сетях. Исследуется процесс изменения отклонений напряжения на суточном интервале времени в двух расчётных точках сети: на шинах РУ 10 кВ ГПП и шинах РУ 0,4 кВ цеховой ТП. Производится анализ полученных оценок отклонений напряжения на соответствие требованиям ГОСТ 13109–97, разрабатываются и реализуются мероприятия по улучшению напряжений в указанных точках сети. Оценивается полученный при этом эффект;
5. Компенсация реактивных нагрузок в системе электроснабжения промышленных предприятий. На основе анализа режимов по реактивной мощности производится расчёт мощности батарей конденсаторов высокого (10 кВ) и низкого (0,4 кВ) напряжения, определяется их режим работы на суточном интервале времени. Производится оценка эффекта снижения потерь электроэнергии и улучшения напряжения, получаемых за счёт компенсации реактивных нагрузок. Определяется величина реактивной мощности синхронного электродвигателя;
6. Исследование и компенсация высших гармоник напряжения в распределительных электрических сетях. В работе исследуются высшие гармоники тока и напряжения в сети 0,38 кВ, обусловленные работой однофазного вентильного преобразователя, подключённого к распределительному пункту РП. На компьютере по программе производится разложение несинусоидальных токов и напряжений в ряд Фурье. Исследуется подавление третьей гармоники напряжения с помощью фильтро-компенсирующего устройства и оценивается эффект;
7. Исследование кондуктивных помех в промышленных электрических сетях. В работе исследуются провалы напряжения на суточном интервале времени, вызванные пиковыми нагрузками в сети 10 кВ и 0,4 кВ. Производится анализ причин возникновения провалов напряжения;
8. Производство оперативных переключений в электрической сети системы электроснабжения. Рассматриваются организационно-технические мероприятия по производству оперативных переключений в электрической сети системы электроснабжения при реализации управления режимами её работы;
9. Прогнозирование электрической нагрузки. Рассматривается моделирование электрической нагрузки как случайного процесса. Реализуется прогноз суточного графика электрической нагрузки для решения задач оптимизации режимов работы системы электроснабжения.
В лабораторной установке заложены физическое моделирование процессов преобразования, передачи и распределения электроэнергии в системе электроснабжения, а также устройства для управления режимами её работы, что способствует расширению перечня лабораторных работ. Электрическое питание лабораторной установки – трёхфазное 220/380 В, потребляемая мощность – не более 500 Вт.
По адресу guzov@ngs.ru мы открыты для консультаций и обсуждения вопросов по использованию лабораторных установок в образовательном процессе.