Δυναμική ηλεκτροθερμική ανάλυση συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Scope of this PhD thesis is the dynamic electrothermal analysis of electric power transmission systems and more specifically the AAC and ACSR overhead lines, as well as underground cables. Also, a very basic part of this PhD thesis is the calculation of temperature fluctuations due to its continuous load variations and the delay time in which they are noticed. Initially, the dynamic thermal analysis is performed with the ultimate goal of calculating some very important quantities which provide us with very important pieces of information that could not be perceived in the time domain, such as the thermal time constant and especially the thermal impedance of the electric power transmission systems. The dynamic thermal analysis methodology is based on the Network Identification by Deconvolution (NID) methodology and the temperature at each point of the conductor resulting from this analysis, leads to an equivalent model in the frequency domain. In order to calculate the thermal impedance of the overhead power transmission lines, both the problem of the electromagnetic field and the thermal problem for the cases of the overhead conductors of type AAC and ACSR are solved analytically. Also, a simplified thermal model was created for an additional confirmation of the results. Afterwards, a fully joined electrothermal model was created with the Joule losses, and more specifically the density of the Joule losses, being the conjunction between the electromagnetic and the thermal model. The results of the analysis were the calculation of the thermal impedance and its presentation through the Nyquist and Bode diagrams. The analytic calculation for the overhead lines is followed by verification through simulation. From the comparison of the results and the negligible differences that arose for the overhead lines, we conclude that we can trust the simulation method for the case of the underground cable as well. For the underground cable, unfortunately due to its complexity, it was not possible to make an analytic calculation of its thermal impedance through the problems of the electromagnetic field and the thermal problem. Next, there is the methodology for calculating the temperature fluctuations due to its continuous load variations and the delay time in which they are noticed. In order to evaluate and validate the usefulness and reliability of the method used, several measurement experiments were performed. In addition, the proposed methodology is applied in some indicative cases of power transmission system, where the reliability of the method has been validated. Finally, the proposed methodology was applied in four cases with measurement current data from four different indicative months spanning a whole year and representing all the seasons, so we to be able to understand in a better way the pattern of the requested load and to proceed with the appropriate calculations.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο τη δυναμική ηλεκτροθερμική ανάλυση συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και πιο συγκεκριμένα εναέριων αγωγών τύπου AAC και ACSR καθώς επίσης και υπόγειων καλωδίων. Ακόμη, βασικότατο τμήμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί ο υπολογισμός των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων, κατά μέτρο και χρονική καθυστέρηση, που προκαλούνται από τις μεταβολές του ηλεκτρικού φορτίου. Αρχικά, γίνεται δυναμική θερμική ανάλυση με απώτερο σκοπό να υπολογιστούν ορισμένα ακόμη πολύ σημαντικά μεγέθη τα οποία μας παρέχουν πολύ σημαντικές πληροφορίες οι οποίες δε θα ήταν δυνατόν να γίνουν αντιληπτές στο πεδίο του χρόνου, όπως για παράδειγμα η θερμική χρονική σταθερά και κυρίως η σύνθετη θερμική αντίδραση των συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεθοδολογία της δυναμικής θερμικής ανάλυσης δομείται πάνω στη μεθοδολογία της αναγνώρισης δικτύου μέσω της αποσυνέλιξης (Network Identification by Deconvolution, NID) και το θερμοκρασιακό πεδίο σε κάθε σημείο του αγωγού που προκύπτει από την ανάλυση αυτή, οδηγεί σε ένα ισοδύναμο μοντέλο στο πεδίο της συχνότητας. Στη συνέχεια, για να γίνει εφικτός ο υπολογισμός της σύνθετης θερμικής αντίδρασης των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας επιλύονται αναλυτικά τόσο το πρόβλημα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου όσο και το θερμικό πρόβλημα για τις περιπτώσεις των εναέριων αγωγών τύπου AAC και ACSR. Ακόμη, δημιουργήθηκε και ένα απλοποιημένο θερμικό μοντέλο για μία επιπρόσθετη επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν. Έπειτα, δημιουργήθηκε ένα πλήρως συζευγμένου ηλεκτροθερμικού μοντέλου με τις απώλειες Joule, και πιο συγκεκριμένα την πυκνότητα των απωλειών Joule, να αποτελεί το μέγεθος που συνδέει το ηλεκτρομαγνητικό και θερμικό μοντέλο. Εξαγόμενα της ανάλυσης ήταν ο υπολογισμός της σύνθετης θερμικής αντίδρασης και η παρουσίασή της μέσω των διαγραμμάτων Nyquist και Bode. Τον αναλυτικό υπολογισμό για τους εναέριους αγωγούς ακολουθεί και επαλήθευση μέσω προσομοίωσης. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων και τις αμελητέες διαφορές που προέκυψαν για τους εναέριους αγωγούς, συμπεραίνουμε ότι μπορούμε να εμπιστευτούμε τη μέθοδο της προσομοίωσης και για τη περίπτωση του υπόγειου καλωδίου. Για το υπόγειο καλώδιο, δυστυχώς λόγω πολυπλοκότητας δεν ήταν εφικτό να γίνει αναλυτικός υπολογισμός της σύνθετης θερμικής αντίδρασής του μέσω των προβλημάτων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και του θερμικού προβλήματος. Ακολουθεί η μεθοδολογία υπολογισμού των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων, κατά μέτρο και χρονική καθυστέρηση, που προκαλούνται από τις μεταβολές του ηλεκτρικού φορτίου. Για να αξιολογηθεί και να επικυρωθεί η χρησιμότητα και η αξιοπιστία της μεθόδου που χρησιμοποιείται, πραγματοποιήθηκαν αρκετά πειράματα μετρήσεων. Επιπροσθέτως, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται και σε ορισμένες ενδεικτικές περιπτώσεις συστημάτων του δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, όπου και εκεί επικυρώθηκε η αξιοπιστία της μεθόδου. Τέλος, η μεθοδολογία που προτάθηκε εφαρμόστηκε και σε τέσσερις περιπτώσεις με δεδομένα από διαφορετικούς μήνες μέσα στον χρόνο, ένας από κάθε ημερολογιακή εποχή, για να καλύπτεται χρονικά ολόκληρο το έτος και να μπορούμε να αντιληφθούμε καλύτερα το μοτίβο του φορτίου που ζητείται από τους καταναλωτές και να γίνουν οι κατάλληλοι υπολογισμοί.