close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Математическое моделирование и исследование эффективности применения в электроэнергетической системе токоограничивающего реактора с подмагничиванием

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Брилинский Андрей Станиславович
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА С
ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ
Специальность 05.14.02 – Электрические станции и
электроэнергетические системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
Работа выполнена в Акционерном обществе «Научно-технический центр Единой
энергетической системы» (АО «НТЦ ЕЭС»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Евдокунин Георгий Анатольевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
председатель наблюдательного совета
ООО «Электросетевые компенсаторы»
Брянцев Александр Михайлович
кандидат технических наук, заместитель
начальника службы электрических режимов
Филиала АО «СО ЕЭС» «Объединённое
диспетчерское управление энергосистемы
Северо-Запада»
Карпов Алексей Сергеевич
Ведущая организация:
Акционерное общество «Научнотехнический центр Федеральной сетевой
компании Единой энергетической
системы»
Защита состоится «29» июня 2018 г. в ___:___ на заседании диссертационного
совета
Д212.229.11
при
федеральном
государственном
автономном
образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский
политехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, СанктПетербург, Политехническая ул., д. 29, Главное здание, ауд. ______.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого» www.spbstu.ru
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д212.229.11
кандидат технических наук, доцент
Попов Максим Георгиевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы, используемые
для плавного регулирования реактивной мощности и поддержания заданного
уровня напряжения, нашли широкое применение в ЕЭС России и за рубежом.
Технология регулирования реактивного сопротивления может быть развита
и для решения задачи ограничения токов короткого замыкания. При этом на смену
распространённым в настоящее время неуправляемым токоограничивающим
реакторам (ТОР) могут прийти ТОР с подмагничиванием, успешно
эксплуатируемые в ряде стран мира (Германия, Китай, США), но отсутствующие в
энергосистеме России.
Установка токоограничивающих реакторов с подмагничиванием позволяет
добиться ограничения токов короткого замыкания (КЗ) и уменьшить потерю
напряжения при передаче электрической энергии потребителю. Кроме того,
меньшее индуктивное сопротивление ТОР с подмагничиванием, по сравнению с
неуправляемым ТОР, в нормальных и послеаварийных режимах работы
обеспечивает оптимальное потокораспределение активной мощности по ЛЭП,
исключая токовую перегрузку электросетевого оборудования.
Известно, что ТОР в значительной степени оказывают влияние на
переходные процессы при коротких замыканиях, приводя к превышению
допустимых значений переходных восстанавливающихся напряжений (ПВН) на
контактах выключателей при коммутациях токов КЗ, что в свою очередь, может
приводить к выходу из строя выключателей. Особенности конструкции и принципа
действия токоограничивающих реакторов с подмагничиванием необходимо
учитывать при настройке релейной защиты и при проверке работоспособности
установленного или устанавливаемого коммутационного оборудования.
Сказанное выше определяет актуальность проводимых в настоящей работе
исследований, направленных на определение условий применения ТОР с
подмагничиванием в электрических сетях высокого напряжения.
Цель и задачи диссертации
Целью
диссертационной
работы
является
разработка
методики
имитационного
моделирования
токоограничивающих
реакторов
с
подмагничиванием и исследование нормальных и аварийных процессов их работы
в составе электроэнергетических систем.
Для достижения цели работы необходимо решение следующих задач:
1. Разработка
методики
расчёта
параметров
конструкции
токоограничивающего реактора с подмагничиванием для определения основных
размеров магнитной системы и обмоток;
4
2. Определение требований к математическим моделям неуправляемого
токоограничивающего
реактора
и
токоограничивающего
реактора
с
подмагничиванием,
используемых
для
исследования
переходных
восстанавливающихся напряжений на контактах выключателей при отключении
коротких замыканий;
3. Создание математической модели токоограничивающего реактора с
подмагничиванием на основе данных о параметрах его конструкции и выполнение
расчётов переходных процессов в нормальных режимах работы и в режиме
ограничения тока КЗ;
4. Исследование переходных процессов при коротких замыканиях в
электрических сетях с неуправляемыми токоограничивающими реакторами и
токоограничивающими реакторами с подмагничиванием;
5. Обоснование
эффективности
и
целесообразности
применения
токоограничивающих реакторов с подмагничиванием в электрических сетях
высокого напряжения.
Достоверность научных положений
Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивается
применением классической теории электромагнетизма для описания исследуемых
процессов и свойств применяемых материалов. Решение систем алгебраических и
дифференциальных уравнений проводилось с использованием методов численного
интегрирования.
Методика исследований
Теоретические исследования базируются на основных положениях теории
электрических цепей. В основе разработанных математических моделей
токоограничивающего
реактора
с
подмагничиванием
лежит
система
алгебраических и дифференциальных уравнений, интегрирование которых
производилось численными методами.
Научная новизна работы
1. Создана математическая модель токоограничивающего реактора с
подмагничиванием;
2. Предложена методика определения основных размеров магнитной
системы и обмоток токоограничивающего реактора с подмагничиванием;
3. Обоснована
эффективность
и
целесообразность
применения
токоограничивающих реакторов с подмагничиванием в электрических сетях
высокого напряжения с кабельными линиями.
Теоретическая и практическая ценность результатов работы
1. Разработана
методика
расчёта
параметров
конструкции
токоограничивающего реактора с подмагничиванием по заданным величинам
5
индуктивного сопротивления устройства в нормальном режиме работы,
номинальных токов обмоток и потерь активной мощности;
2. Создана математическая модель токоограничивающего реактора с
подмагничиванием, учитывающая особенности поведения устройства в составе
электроэнергетической системы в нормальных режимах работы и в режиме
ограничения тока КЗ;
3. Выполнено
имитационное
моделирование
неуправляемого
токоограничивающего и токоограничивающего с подмагничиванием реакторов для
исследования переходных восстанавливающихся напряжений на контактах
выключателей при отключении коротких замыканий;
4. Определены требования по учёту распределённости параметров обмоток
в математических моделях неуправляемого токоограничивающего реактора и
токоограничивающего реактора с подмагничиванием, используемых для
исследования переходных восстанавливающихся напряжений на контактах
выключателей при отключении коротких замыканий;
5. Доказана эффективность применения токоограничивающих реакторов с
подмагничиванием в электрических сетях высокого напряжения с кабельными
линиями.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях: Научно-практическая конференция
«Energy2012. Повышение эффективности энергетического оборудования»
(г. Санкт-Петербург, РФ, 2012); Международная конференция «Интеллектуальная
электроэнергетика, автоматика, высоковольтное управляемое и коммутационное
оборудование» (г. Москва, РФ, 2013); Выставка-форум «Современные тенденции
распределительного сетевого комплекса» (п. Терволово Гатчинского района
Ленинградской области, РФ, 2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 работы
опубликовано в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов для
публикации основных научных результатов диссертаций (ВАК).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка
литературы из 50 наименований. Объём работы включает в себя 138 страниц
основного текста, одно приложение, 15 таблиц и 63 рисунка. Нумерация таблиц,
формул и рисунков самостоятельная в пределах каждой главы.
Положения, выносимые на защиту
1. Методика
расчёта
основных
параметров
конструкции
токоограничивающего реактора с подмагничиванием;
6
2. Методика имитационного моделирования для анализа работы
токоограничивающего
реактора
с
подмагничиванием
в
составе
электроэнергетических систем в нормальных режимах работы и в режиме
ограничения тока КЗ;
3. Учёт
распределённости
параметров
неуправляемого
токоограничивающего
реактора
и
токоограничивающего
реактора
с
подмагничиванием при исследовании переходных восстанавливающихся
напряжений на контактах выключателей при отключении коротких замыканий.
4. Обоснование
эффективности
и
целесообразности
применения
токоограничивающих реакторов с подмагничиванием для обеспечения
оптимального распределения активной мощности и снижения уровня токов КЗ в
электрических сетях высокого напряжения с кабельными линиями.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, научная
новизна, практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи
исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится обзор существующих методов и устройств
ограничения токов КЗ, используемых или разрабатываемых в России и за рубежом.
Во
второй
главе
приводится
описание
принципа
действия
токоограничивающего реактора с подмагничиванием класса напряжения 110 кВ,
обоснование целесообразности его применения в электрических сетях 110 кВ и
выше с кабельными линиями и методика расчёта параметров конструкции.
Упрощённая конструкция однофазного токоограничивающего реактора с
подмагничиванием представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Упрощённая конструкция однофазного токоограничивающего
реактора с подмагничиванием
7
Токоограничивающий реактор с подмагничиванием имеет магнитную
систему, состоящую из двух стержней (1) (двух «полустержней»), верхнего (2) и
нижнего (3) горизонтальных ярем и двух боковых ярем (4). Сетевые обмотки (СО)
(5) размещены на стержнях и соединены согласно и последовательно. Обмотка
управления (ОУ) (6) охватывает два соседних стержня с сетевыми обмотками и
подключена к управляемому источнику постоянного напряжения.
Постоянный по направлению поток обмотки управления создаёт постоянное
магнитное поле, намагничивающее оба полустержня. В нормальном режиме
работы величина переменного магнитного потока, создаваемого сетевыми
обмотками, мала по сравнению с постоянным магнитным потоком, сердечник
остаётся насыщенным, и индуктивное сопротивление устройства низкое. При
коротком замыкании величина переменного магнитного потока достаточна, чтобы
вывести сердечник из насыщения, вследствие чего индуктивное сопротивление
сетевой обмотки увеличивается, ограничивая ток КЗ до требуемой величины.
Рассмотрим схему электропередачи, состоящую из шин отправной (Система
№1) и приёмной (Система №2), воздушной (ВЛ №1) и кабельной (КЛ №1) линии
электропередачи равной протяжённости.
ВЛ №1
Система
№1
Система
№2
КЛ №1
U1
U2
Рисунок 2 – Принципиальная схема электропередачи
В этом случае соотношения потоков мощностей по ВЛ (PВЛ) и КЛ (PКЛ)
будет определяться отношением их индуктивных сопротивлений (XВЛ и XКЛ):
PВЛ X КЛ

.
PКЛ X ВЛ
(1)
Для типовой ВЛ 110 кВ, выполненной с использованием промежуточных
опор П110-3В, среднее геометрическое расстояния между фазами (dСР)
приблизительно равно 5,5 м (при эквивалентном радиусе фазы rЭ=0,01025 м),
величина dСР для КЛ 110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена при
расположении её фаз в вершинах равностороннего треугольника приблизительно
равна 0,091 м (при rЭ=0,02125 м), тогда для соотношения (1) получаем
8
PВЛ ln 0,091м 0,02125м

 0,231 , т.е. поток мощности по КЛ примерно в 4,3 раза
PКЛ
ln 5,5 м 0,01025м
больше потока мощности по ВЛ.
Одним из практических применений токоограничивающего реактора с
подмагничиванием является обеспечение равномерного распределения потоков
мощности по параллельным связям. Например, для схемы, представленной на
рисунке 2, поток мощности по КЛ в 4,3 раза больше потока мощности по ВЛ, что
может привести к недопустимой токовой перегрузке КЛ. Кроме того, наличие КЛ
приводит к росту уровня токов КЗ на шинах ПС №2, величина которого может
превысить
номинальный
ток
отключения
установленных
подстанции
выключателей.
Для обеспечения оптимального распределения потоков мощности по
кабельным и воздушным линиям электропередачи целесообразно включение
последовательно с КЛ токоограничивающего реактора. В свою очередь, для
ограничения токов короткого замыкания потребуется включение последовательно
с КЛ токоограничивающего реактора с вдвое большим индуктивным
сопротивлением.
Из вышесказанного следует, что при наличии в энергосистемах параллельно
работающих ВЛ и КЛ целесообразно использование токоограничивающих
реакторов с подмагничиванием, имеющих различное индуктивное сопротивление в
нормальном режиме и в режиме короткого замыкания, как показано на рисунке 3.
ВЛ №1
Система
№1
Система
№2
ТОР с подмагничиванием
КЛ №1
U1
U2
Рисунок 3 – Принципиальная схема электропередачи с учётом установки
токоограничивающего реактора с подмагничиванием
Номинальным режимом работы токоограничивающих реакторов с
подмагничиванием является глубокое насыщение его полустержней, при котором
сетевые обмотки устройства имеют минимальное индуктивное сопротивление.
Следовательно, при расчёте параметров конструкции за основу следует принять
параметры его работы в нормальном режиме.
Одним из основных параметров токоограничивающего реактора с
подмагничиванием является его индуктивное сопротивление XНР в нормальном
9
режиме, создаваемое двумя сетевыми обмотками, включенными согласно.
Используя известное выражение для вычисления индуктивности соленоида,
находим индуктивное сопротивление токоограничивающего реактора с
подмагничиванием в нормальном режиме его работы, т.е. в режиме глубокого
насыщения:

2
X HP  2     μ 0  wСО
4
2
d
 СО  K a ,
l СО
(2)
где ω = 314,16 рад/с – угловая частота сети, µ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная
постоянная, wСО – число витков одной сетевой обмотки, dСО – её диаметр, lСО –
высота обмотки, Kα – коэффициент, значение которого зависит от соотношения
lСО/dСО (для упрощения вычислений примем его значение, равным 0,8). Следует
отметить, что равенство (2) справедливо для тонкой обмотки, т.е. при условии
∆СО<<dСО. В действительности, СО имеет конечную толщину, поэтому под dСО
будем понимать эквивалентный диаметр обмотки, численно равный сумме
внутреннего радиуса СО r1СО и ⅔∆СО.
Взаимная
индуктивность
сетевых
обмоток,
расположенных
на
полустержнях, (катушки с параллельными осями) мала по сравнению с
собственной индуктивностью обмоток, следовательно, ею можно пренебречь.
Перегруппируем сомножители в выражении (2) следующим образом:
 
 w
X HP      μ 0  K a    СО
 2
  l СО

  wСО  d СО   d СО .

Первый множитель (ω·π/2·μ0∙Kα) является постоянной величиной,
практически не зависящей от конструкции ТОР с подмагничиванием.
Второй множитель (wСО/lСО) перепишем, используя выражение для
амплитудного значения напряжённости магнитного поля, создаваемого сетевой
обмоткой токоограничивающего реактора с подмагничиванием:
H m СО 
2  I НОМ СО  wСО
,
l СО
(3)
где IНР – номинальный ток (действующее значение) токоограничивающего
реактора с подмагничиванием.
Из формулы (3) получаем
wСО
H m СО
.

l СО
2  I HОМ СО
Значение номинального тока ТОР с подмагничиванием задаётся при
проектировании устройства. Величина Hm СО равна разности напряжённостей
магнитных полей HОУ, создаваемого обмоткой управления, и HПП,
соответствующего насыщению, в области которого магнитная проницаемость
стального сердечника μсердечника≈1, т.е. Hm СО=HОУ – HПП. Значение HПП определяется
10
материалом магнитопровода, а значение HОУ должно быть задано при
проектировании ТОР с подмагничиванием.
Третий множитель (wСО·dСО) перепишем, используя выражение для
вычисления суммарных активных потерь в сетевых обмотках (∆PСО 75°С):
  d СО
2
PСО 75°С  2  I НОМ СО   
 wСО
(4)
S витка СО
где ρ – удельное сопротивление материала обмотки, Sвитка CО – поперечное сечение
витка.
Из выражения (4) получаем
wСО  d СО 
PСО 75°С  S витка
2  I НОМ СО   СО  
2
.
(5)
Поперечное сечение витка определяется заданной плотностью тока (jСО),
которая, как правило, имеет значение 2,3÷4,5 А/мм2 – для меди и 1,5÷2,5 А/мм2 –
для алюминия, и может быть взята из литературы по проектированию
трансформаторов.
Таким образом, при заданном значении индуктивного сопротивления XНР
из (2), с учётом приведённых соображений, получаем выражение для вычисления
диаметра сетевой обмотки ТОР с подмагничиванием:
4  2  X HP  I НОМ СО   СО  jСО
2
d СО 
  μ 0  K a  H m СО  PСО 75°С
.
(6)
После того, как диаметр сетевой обмотки определён, из формул (3) и (5)
находим необходимое количество её витков: wСО 
расчётную высоту l СО 
PСО 75°С
2  I НОМ СО  jСО   СО    d СО
и
2  I НОМ СО  wСО
, соответственно.
H m СО
Таким образом, параметры сетевой обмотки (dСО, wСО и lСО), необходимые
для дальнейшего расчёта и уточнения её конструкции, определены на основе
значения индуктивного сопротивления ТОР с подмагничиванием в нормальном
режиме работы (XНР), напряжённости магнитного поля (HОУ), создаваемого
обмоткой управления, номинального тока (IНОМ СО), потерь активной мощности
(∆PСО 75°С) и плотности тока (jСО) сетевых обмоток.
В третьей главе приводится описание методики имитационного
моделирования токоограничивающего реактора с подмагничиванием класса
напряжения 110 кВ. Предлагаемая методика базируется на совместном учёте
процессов в прилегающей сети и результатов расчёта параметров схемы замещения
магнитных и электрических цепей ТОР.
Приведённой
на
рис. 1
магнитной
системе
однофазного
токоограничивающего реактора с подмагничиванием, может быть поставлена в
11
соответствие её схема замещения, представленная на рис. 4. Схема замещения
включает в себя как линейные, так и нелинейные магнитные сопротивления. Для
представленной схемы замещения записываются уравнения первого и второго
законов Кирхгофа для магнитной цепи. Для корректного определения параметров
магнитных сопротивлений положение тонкого проводящего слоя, моделирующего
обмотки, выбрано, исходя из равенства среднему значению индукции магнитного
поля в окне магнитопровода, создаваемой обмотками реальной толщины.
1
Фs3c
Ф3c
Фs1ad
Фs12 Rs12
Ф1c Ф12 R12
Фs1a
R1c
Rs1ad
2
Ф2c
Фs2ad
Rs2a
Rs2ad
Ф4c
Фs4c
R4c
Rs4c
R 2c
Rs1a
FA
Rs3c
Фs2a
FA
R3c
FD
FD
R21 Ф21
4
3
Rs21 Фs21
Рис. 4. Схема замещения магнитной системы ТОР с подмагничиванием
Ниже приведены осциллограммы магнитной индукции в полустержнях при
коротком замыкании на выводе СО устройства в момент нуля напряжения (рис. 5).
3,30
B, Тл
2,24
1,18
0,12
– полустержень №1
– полустержень №2
-0,94
-2,00
0,06
t, c
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
Рис. 5. Осциллограммы магнитной индукции в полустержнях устройства при КЗ в
сети в момент нуля напряжения
12
При коротком замыкании форма кривых магнитной индукции искажается, и
они перестают быть симметричными относительно некоторого постоянного
значения (~2,2 Тл), в отличие от нормального режима работы, из-за
размагничивания полустержней током КЗ. Магнитная индукция в обоих
полустержнях за каждую половину периода уменьшается до значений,
характерных для стали в размагниченном состоянии. Поэтому в течение половины
периода в ограничение тока КЗ основной вклад вносит обмотка с размагниченным
полустержнем. На рис. 6 представлена осциллограмма тока, протекающего через
выключатель поврежденного присоединения при коротком замыкании.
40
30
I, кА
– без учёта ТОР;
– с учётом ТОР
20
10
0
-10
-20
-30
0,06
t, c
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
Рис. 6 – Осциллограммы тока через выключатель поврежденного присоединения
при КЗ в сети в момент нуля напряжения до и после установки ТОР с
подмагничиванием
Приведенная осциллограмма показывает, что токоограничивающий реактор
с подмагничиванием эффективно ограничивает ток КЗ. В кривых тока устройства
наиболее выраженными являются 3 и 5 гармоники, составляющие 9,2 и 3,2% от
первой гармоники соответственно. На рис. 7 представлена осциллограмма тока ОУ
при коротком замыкании.
13
1600
IОУ, А
1450
– ток ОУ при КЗ в момент нуля напряжения
– ток ОУ при КЗ в момент максимума напряжения
1300
1150
1000
850
700
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
t, c
0,20
Рис. 7 – Осциллограмма тока обмотки управления при КЗ в сети в момент нуля и
максимума напряжения
Таким образом, в нормальном установившемся режиме сетевые обмотки
ТОР с подмагничиванием не влияют на ОУ работу, ввиду симметричной
конструкции магнитопровода и согласного включения СО. При КЗ из-за наличия
электромагнитной связи между ОУ и СО в ОУ возникает переменная
составляющая тока, частотой 100 Гц. Появление паразитной составляющей связано
с искажением синусоидальной формы кривой магнитной индукции и обусловлено
различными проницаемостями полустержней в режиме КЗ. Этот эффект приводит
к возникновению в короткозамкнутой ОУ тока той же частоты, что препятствует
размагничиванию полустержней и, как следствие, снижает эффект ограничения
устройством тока КЗ.
В четвертой главе описана разработанная методика имитационного
моделирования
неуправляемого
токоограничивающего
реактора
и
токоограничивающего реактора с подмагничиванием для исследования
переходных восстанавливающихся напряжений на контактах выключателей при
отключении коротких замыканий. На основе данных о конструкции определены
величины емкостей неуправляемого токоограничивающего реактора и
токоограничивающего реактора с подмагничиванием, а также даны рекомендации
по учёту емкостей токоограничивающих реакторов.
Разработанная ранее схема замещения магнитных и электрических цепей
токоограничивающего реактора с подмагничиванием не применима для
исследования переходных восстанавливающихся напряжений на контактах
выключателей при отключении коротких замыканий, т.к. не учитывает ёмкости
реактора. Кроме того, в общем случае обмотка токоограничивающего реактора
представляет собой элемент с непрерывно распределёнными параметрами LР, СР,
14
C0. Ввиду того, что процесс ПВН носит высокочастотный характер (~50÷200 кГц),
учёт характеристик ТОР с сосредоточенными параметрами в расчётах ПВН может
вносить значительную ошибку.
/∆x
iiСС(t,x+∆x)
(t,x+∆x) ССРР/∆x
uuПВН
(t)
(t)
ПВН
IКЗ
IКЗ
t
u(t,x)
u(t,x)
LР·∆x
LР·∆x
i(t,x)
i(t,x)
iL(t,x+∆x)
iL(t,x+∆x)
CC00·∆x
·∆x
t
u(t,x+∆x)
u(t,x+∆x)
Рис. 8. Схема замещения обмотки ТОР с распределёнными параметрами при
включении источника тока
Используя метод встречного тока, кривую ПВН на контактах выключателя
при отключении им тока КЗ (IКЗ) на присоединении с ТОР можно определить
аналитически. Поскольку нарастание тока КЗ в течение времени от момента
размыкания первого полюса выключателя до 100 мкс происходит линейно,
расчётная схема замещения может быть представлена источником, подающим
косоугольный импульс тока на обмотку токоограничивающего реактора с
распределёнными параметрами.
Для схемы, представленной на рис. 8, получено аналитическое выражение
напряжения, возникающего на контактах выключателя при подаче косоугольного
импульса тока на обмотку токоограничивающего реактора:
u t , x   I КЗ  LР  l  x   2  I КЗ
2
lL  N  2 
  2Р    
 
   k 1  2  k  1 


 l   2  k  1 2
  2  k 1 
 cos 
 x   cos
 t .


2
2
2
l

 LР  C 0  LР  C Р   l   2  k  1 2 

(7)
В качестве исходной модели выбран ТОР 110 кВ с индуктивным
сопротивлением 6,5 Ом (LР = 0,0109 Гн/м, CР = 92,63 пФ·м, C0 = 141,27 пФ/м,
Hоб = 1,905 м, где Hоб – высота обмотки ТОР). Заданное действующее значение тока
через ТОР I=8,853 кА (при EС=115 кВ и XС=1 Ом). Сравним полученные кривые
ПВН для ТОР с сосредоточенными и распределёнными параметрами.
15
Рис. 9. Расчётные кривые ПВН для ТОР с сосредоточенными (сплошная кривая) и
распределёнными параметрами (пунктирные кривые)
Очевидно, что учёт ТОР с распределёнными параметрами в расчётах ПВН в
значительной степени оказывает влияние на результаты моделирования. Согласно
данным табл. 1 рассматриваемый ТОР целесообразно моделировать цепочечной
схемой замещения, причем оптимальным является использование пяти
составляющих.
Дальнейшее увеличение числа составляющих практически не оказывает
влияния на расчётные кривые ПВН, что следует из наложения кривых ПВН для
kMAX=5 и kMAX=280 (рис. 9).
На рис. 10 показано поперечное сечение ТОР с подмагничиванием, в
котором показаны емкости, учёт которых необходим при расчётах ПВН.
Правильный учёт влияния ёмкостей на переходные процессы в обмотках
достигается при их включении по схеме, показанной на рис. 10.
16
Сеть
переменного
тока (50 Гц)
⅓∙Сacm
2∙Сac1
⅓∙Сacdc1
2∙Сdc
⅓∙Сacdc2
⅓∙Сeac2
2∙Сac2
⅓∙Сeac1
⅓∙Сeac2
2∙Сac1
2∙Сdc
⅓∙Сacm
⅓∙Сeac1
⅓∙Сacdc2
⅓∙Сacdc1
2∙Сac2
Источник
постоянной
+
ЭДС
⅓∙Сeac1
⅓∙Сacdc1
⅓∙Сeac2
⅓∙Сacdc2
–
Рис. 10. Основные ёмкости, учитываемые в модели ТОР с подмагничиванием
Схемы замещения электрических и магнитных цепей ТОР с
подмагничиванием приведены на рис. 11 и 12 соответственно.
E3=u2n
E1=u1n
i2
i01n+1
i3n+1
Reac1
1
Сeac1
i7n+1
i4n+1
iac11
Reac1
Сeac1
Reac1
Сeac1
2
i8n+1
n+1
i14n+1
i11n+1
i5n+1
idc1n+1
Сacdc2
Racdc2
i6n+1
3
i9n+1
iac21n+1
Racdc1 Сacdc1
i12n+1
5
i15n+1
Сdc
idc2
Racdc2 Сacdc2
n+1
Сac2
Rac2
i18n+1
Reac2
iac22n+1
i13n+1
Сac2
Rac2
ОУ Racdc2 Сacdc2
i19n+1
Racdc1 Сacdc1
0
CО №1
Сeac2
Reac2 Сeac2
6
Rdc
7
E2=u3n
Сdc
iac12n+1
Rac1
i17n+1
Сacdc1
i03n+1
Rdc
4
Сac1
Racm
Сacm
n+1
Racdc1
Сac1
Rac1
i10n+1
i02n+1
Racm
Сacm
i1n+1
i16n+1 Reac2 Сeac2
i20n+1
CО №2
Рис. 11. Схема замещения электрических цепей
17
Фs3c
Ф3с
Фs1ad Фs1a
1
Фs12
Rs12
Ф1c
Ф12
R12
2
Ф2c
R1c
Rs1ad
Rs3c
Фs2a Фs2ad
Rs2a
Фs1ad2 Фs1a2
Fac11
Fac21
Fd1
Fd1
Ф1c2
Фs4c
R4c
Rs4c
R2c
Rs1a
R3c
Ф4с
3
4
Ф2c2
R1c2
Rs2ad
Фs2a2 Фs2ad2
R2c2
Rs1ad2 Rs1a2
Rs2a2
Fac12
Rs2ad2
Fac22
Fd2
R21
0
Ф21
Fd2
5
Rs21 Фs21
Рис. 12. Схема замещения магнитных цепей
На
рис. 13
представлены
осциллограммы
ПВН
на
контактах
высоковольтного выключателя 110 кВ с номинальным током отключения 25 кА
(ВМТ-110Б) при отключении им трёхфазного короткого замыкания, возникшего в
точке подключения ТОР с подмагничиванием к КЛ.
210
UПВН , кВ
180
– нормированная кривая ПВН при IОТКЛ. = 0,1·IНОМ.ОТКЛ.
150
120
90
60
30
t, мкc
0
0
20
40
60
80
100
Рис. 13. Осциллограмма ПВН на полюсе выключателя при отключении им первого
полюса при трёхфазном КЗ (ТОР с подмагничиванием)
18
duПВН/dt, кВ/мкс
50
– обычный неуправляемый бетонный ТОР
– ТОР с подмагничиванием
- допустимая скорость нарастания ПВН при IОТКЛ=0,1∙IОТКЛ.НОМ., равная 5 кВ/мкс
40
30
20
10
0
-10
-20
t, мкc
-30
0
10
20
30
40
50
60
Рис. 14. Осциллограммы скоростей нарастания ПВН на полюсе выключателя при
отключении им первого полюса при трёхфазном КЗ при установке обычного
неуправляемого бетонного ТОР и ТОР с подмагничиванием
Из представленных осциллограмм (рис. 13; 14) следует, что скорость
нарастания напряжения при включении ТОР с подмагничиванием значительно
ниже, чем при использовании обычного неуправляемого ТОР. Это объясняется
бόльшей ёмкостью на землю обмоток ТОР с подмагничиванием, чем у обычного
неуправляемого бетонного ТОР.
Анализ полученных результатов:
1. Установка токоограничивающих реакторов приводит к увеличению
амплитуды и скорости нарастания ПВН, вследствие чего кривая собственного ПВН
может пересекать нормированную кривую, определённую в ГОСТ для различных
типов выключателей. При установке ТОР на электросетевых объектах требуется
проверка влияния собственных емкостных и индуктивных параметров
токоограничивающего реактора на ПВН на контактах выключателей и, при
необходимости, должны быть предусмотрены дополнительные мероприятия для
ограничения скорости нарастания и амплитуды ПВН. Так, например, на стадии
проектирования следует рассматривать возможность изменения конструктивных
параметров ТОР, которые позволят увеличить собственные ёмкости, или
предусматривать дополнительную установку RC-цепей;
2. При проведении расчётов ПВН должна учитываться распределённость
параметров ТОР. Использование модели ТОР без учёта распределённости его
параметров в зависимости от соотношения величин LР, СР и С0 может приводить к
заниженным скоростям нарастания и завышенным амплитудам ПВН;
19
3. При установке ТОР с подмагничиванием скорость нарастания
напряжения становится ниже. Этот результат объясняется значительно бόльшей
ёмкостью обмоток на землю (на магнитопровод и ОУ) ТОР с подмагничиванием по
сравнению с обычным неуправляемым ТОР, что позволяет снизить затраты на
корректировку ёмкости ТОР или параметров RC-цепи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана методика расчёта конструкции токоограничивающего
реактора с подмагничиванием, позволяющая определять основные размеры
магнитной системы и обмоток по заданным значениям индуктивного
сопротивления устройства, токов в обмотках и потерь активной мощности при
номинальном режиме работы.
2. Создана методика имитационного моделирования для анализа
переходных
процессов
работы
токоограничивающего
реактора
с
подмагничиванием в составе электроэнергетических систем в нормальных режимах
работы и в режиме ограничения тока КЗ, учитывающая характеристики
прилегающей сети и параметры схем замещения магнитных и электрических цепей
ТОР с подмагничиванием. Математическая модель токоограничивающего реактора
с подмагничиванием построена с использованием вычисленных характеристик
магнитопровода и данных о свойствах электротехнической стали.
3. Показано, что традиционная (общепринятая) методика расчёта
переходных восстанавливающихся напряжений, основанная на использовании
схемы замещения ТОР с сосредоточенными параметрами, неприменима для
токоограничивающих реакторов с подмагничиванием, а в случае неуправляемых
токоограничивающих реакторов может приводить к ошибочным результатам.
Аргументирована необходимость и получены аналитические выражения для учёта
распределённости параметров обмотки токоограничивающих реакторов в расчётах
переходных восстанавливающихся напряжений на контактах выключателей при
отключении ими коротких замыканий.
4. Обоснована эффективность применения токоограничивающих реакторов
с подмагничиванием для обеспечения оптимального распределения активной
мощности и снижение уровня токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше.
20
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных в перечне
ВАК РФ:
1.
Брилинский А.С., Плохих М.И., Смоловик С.В. Координация токов
короткого замыкания в сетях высокого напряжения мегаполиса (на примере
энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области) // Электро. 2012. №1.
С. 11-16.
2.
Брилинский
А.С.,
Евдокунин
Г.А.
Моделирование
и
анализ
токоограничивающих свойств реактора, управляемого подмагничиванием //
Известия РАН. Энергетика. 2013. №4. С. 37-48.
3.
Брилинский А.С., Евдокунин Г.А., Смоловик С.В., Шепель Ю.И. Методика
расчёта параметров основных элементов конструкции токоограничивающего
реактора с подмагничиванием // Электрические станции. 2015. №11(1012). С. 42-46.
4.
Брилинский А.С., Евдокунин Г.А., Мингазов Р.И., Петров Н.Н., Чудный В.С.
Совместное регулирование потоков мощности и ограничение токов короткого
замыкания с помощью фазоповоротного трансформатора // Электрические станции.
2017. №7(1032). С. 19-27.
Публикации в других изданиях:
5.
Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В.
Математическое
моделирование
токоограничивающего
устройства,
использующего эффект насыщения магнитопровода // Известия НТЦ Единой
энергетической системы. 2012. №2(67). С. 51-66.
6.
Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В. Модель
токоограничивающего
устройства,
использующего
эффект
насыщения
магнитопровода / Материалы научно-практической конференции «Energy2012.
Повышение эффективности энергетического оборудования»: в 2 т. СанктПетербург: СПбГПУ, 2012. Т. 2. 514 с.
7.
Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В. Разработка
математической модели токоограничивающего устройства, использующего эффект
насыщения магнитопровода // Энергоэксперт. 2012. №6(35). С. 34-41.
8.
S.V. Smolovik, A.S. Brilinskiy, V.S. Chudny, R.I. Mingazov and N.N. Petrov,
«Phase-shifting transformer as short-circuit current-limiting device», 2017 IEEE
Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering
(EIConRus), St. Petersburg, 2017, pp. 1585-1589.
Подписано в печать 23.04.2018. Формат 60x84/16. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 16694b.
Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором,
в Типографии Политехнического университета.
195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.
Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа