Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ методов и средств ограничения токов короткого замыкания 12
Постановка задачи 12
Анализ эффективности методов ограничения токов короткого замы кания 14
Анализ эффективности средств ограничения токов короткого замы кания 18
Выводы 19
Глава вторая. Выбор моделей для оценки эффективности ограничения токов короткого замыкания 22
Постановка задачи 22
Модель электрической сети при расчетах токов короткого замыка ния 24
Модель электрической сети при расчетах установившегося режима.. 30
Методика обработки статистических данных 32
Технико-экономические критерии принятия решений 35
Выводы 50
Глава третья. Оценка эффективности ограничения токов короткого замыкания воздействием на структуру и параметры электрической сети 52
Постановка задачи 52
Опыт использования методов ограничения токов короткого замыкания 53
Уровни токов короткого замыкания в электрических сетях 58
Интегральные параметры электрических сетей и максимально до пустимый уровень тока короткого замыкания 67
Согласование параметров коммутационного оборудования 76
Токи короткого замыкания и потери мощности и электроэнергии в электрических сетях 79
Выводы 82
Глава четвертая. STRONG Оценка эффективности ограничения токов короткого замыкания на землю 85
Постановка задачи STRONG 85
Соотношения токов однофазных и трехфазных коротких замыканий 86
Ограничение токов короткого замыкания на землю включением в нейтрали автотрансформаторов сопротивлений 89
Изменение параметров электрических сетей при установке сопротивлений в нейтралях автотрансформаторов 95
Ограничения токов короткого замыкания на землю частичным разземлением нейтралей трансформаторов 101
Выводы 108
Заключение 111
Список использованных источников
- Анализ эффективности методов ограничения токов короткого замы кания
- Модель электрической сети при расчетах токов короткого замыка ния
- Опыт использования методов ограничения токов короткого замыкания
- Соотношения токов однофазных и трехфазных коротких замыканий
Введение к работе
В сетях различного напряжения электроэнергетических систем (сокращенно - энергосистем, систем) уровень токов короткого замыкания (КЗ) в той или иной степени непрерывно возрастает. При этом требования к электрическим аппаратам, проводникам, силовым (авто)трансформаторам и конструкциям распределительных устройств (РУ) становятся все более жесткими. Возникает проблема согласования или координации параметров электрооборудования с существующими или ожидаемыми уровнями токов КЗ [В.1]. Она обострилась сравнительно недавно - в 60-70-е годы - в связи с бурным развитием электроэнергетики, выражающимся ростом единичных мощностей генерирующих агрегатов, электростанций, подстанций и энергосистем, развитием сетей среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений.
Максимально допустимый уровень токов КЗ в сетях различного напряжения - важная технико-экономическая характеристика энергосистем. Требования к коммутационному оборудованию должны учитывать стратегию развития энергосистем, электростанций и сетей, возможности промышленности разработать и поставить в установленные сроки оборудование с нужными параметрами, надежность работы электростанций, подстанций, узлов нагрузки и систем в целом, затраты на создание сети с тем или иным максимальным уровнем токов КЗ.
Координация уровней токов КЗ имеет определенную организационную иерархию и решается в рамках более общей задачи оптимизации структуры, параметров и режимов работы энергосистем и их элементов на всех стадиях их управления: от прогнозирования и планирования до проектирования и эксплуатации. Так, согласование уровней токов КЗ с параметрами оборудования рассматривается в схемах развития отрасли, а затем объединенных и региональных
энергосистем раз в 5 лет на перспективу 10-15 лет [В.2] и, кроме того, в технико-экономических обоснованиях к сооружению объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций и электрических сетей) [В.З]. Следовательно, здесь необходим учет значительной неопределенности исходной информации, большого количества трудноформализуемых и противоречивых функциональных связей.
При решении подобного класса задач наиболее оправдано использовать общие положения изучения больших систем энергетики, именуемые системным подходом [В.4]. Как известно, системный подход исходит из рассмотрения последних целостным множеством элементов, обладающим свойствами, несводимым к сумме свойств, входящих в него элементов. При этом во главу ставится постулат, что развитие объектов определяется причинно-следственными связями, выражающимися совокупностью объективных тенденций и закономерностей.
Анализ фактического материала показывает, что проблема токов КЗ в энергосистемах была и остается актуальной. Токи существенно возросли, что вынуждает менять установленное электрооборудование или принимать срочные меры по их ограничению. Известны [В.1] следующие методы или способы (далее везде используется термин метод, как нашедший более широкое распространение в литературе по данной проблематике) ограничения уровней токов КЗ:
схемные решения на стадии проектирования;
стационарное и автоматическое деление существующей сети при эксплуатации;
применение токоограничивающих устройств различного типа;
изменение схем соединения обмоток генераторов и силовых (автотрансформаторов, также режима заземления их нейтралей.
Теоретические основы указанных методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [В.1, В.5-В.11 и др.] исследовались различные средства ограничения токов КЗ: реакторы простые и
сдвоенные, трансформаторы с расщепленными обмотками, резонансные токоо-граничивающие устройства различных видов, ограничители ударного тока, вставки постоянного тока, также устройства, использующие высокотемпературную сверхпроводимость. В работе [В. 12] описаны схемные решения, принимаемые на стадии проектирования.
Однако в приведенных работах имеется определенный пробел. Так, до сих пор недостаточно исследована эффективность методов ограничения уровней токов КЗ с общесистемных позиций в условиях различной структуры и параметров реальных энергосистем.
Под эффективностью ограничения токов КЗ понимаем действенность того или иного метода или средства их ограничения, т.е. способность, воздействуя на электрическую сеть, дать наилучший результат по снижению тока до необходимого предела. В свою очередь он (предел) определяется возможностью промышленности разработать и поставить в установленные сроки оборудование с нужными параметрами, надежностью работы электростанций, подстанций, узлов нагрузки и энергосистем в целом, затратами на создание сети с тем или иным максимальным уровнем токов КЗ.
Таким образом, существо научно-технической проблемы, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в разработке научно обоснованных рекомендаций по ограничению токов КЗ, позволяющих согласовывать их уровни с параметрами электрооборудования с учетом различной структуры и параметров реальных энергосистем. Указанные рекомендации предназначены для принятия решений, как при текущей эксплуатации, так и на перспективу.
Цель работы и задачи исследований.
Цель работы заключается в разработке теоретических и практических положений, связанных с оценкой эффективности ограничения уровней токов КЗ в условиях различной структуры и параметров электрических сетей реальной энергосистемы, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
выявлены статистические закономерности, дающие оценку эффективности ограничения уровней токов КЗ, путем обобщения обширного фактического материала и исследования их динамики в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны;
определена эффективность основных методов ограничения токов КЗ (схемных решений, деления электрической сети, включения токоограничиваю-щих сопротивлений в нейтрали и частичного разземления нейтралей силовых трансформаторов и автотрансформаторов) в условиях различной структуры и параметров электрических сетей 110-500 кВ энергосистемы;
сформулированы и доведены до практического использования научно обоснованные рекомендации по выбору методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110-500 кВ энергосистем.
Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами вычислительного эксперимента на математических моделях, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций, электрических сетей, энергосистем) на современном этапе.
Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных рекомендаций, связанных с оценкой эффективности методов ограничения токов КЗ в условиях различной структуры и параметров реальных энергосистем.
Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ, в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем
страны. Такая концепция реализована впервые и потребовала привлечения обширных статистических данных. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:
Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110-500 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих методов. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.
Доказано, что основным и наиболее эффективным методом ограничения уровней токов КЗ является стационарное деление электрической сети и, в ряде случаев, схемные решения. Стационарное деление ограниченного числа наиболее крупных коммутационных узлов энергосистемы ограничивает токи в 2-4 и более раз и поддерживает их на допустимом уровне во всех узлах электрической сети на протяжении десятилетий.
Обосновано, что методы, касающиеся ограничения уровней токов КЗ на землю, не позволяют в полной мере обеспечить их требуемую стабилизацию. Эти методы следует рассматривать в качестве локальных мероприятий, не оказывающих заметного влияния на структуру и параметры электрических сетей, и их не следует широко использовать без достаточных на то оснований.
Выполнен анализ предельных токов КЗ в совокупности с интегральными параметрами реальных электрических сетей 110-500 кВ. Выявлено наличие между ними явных функциональных зависимостей, позволяющих планировать структуру и параметры электрических сетей на длительную перспективу с учетом уровней токов КЗ.
Практическое значение и внедрение.
1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке эффективности ограничения токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.
2. Разработанные практические рекомендации по оценке эффективности ограничения токов КЗ используются Информационно-вычислительным центром - филиалом ОАО «Мосэнерго» и Региональным диспетчерским управлением энергосистемы Москвы и Московской области - филиалом ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» при подготовке нормальной схемы электрических сетей 35-500 кВ на максимум нагрузки и при формировании технических условий для разработки схемы развития электрических сетей 110-500 кВ рассматриваемого региона электроснабжения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Применение комплексного подхода для оценки эффективности ограничения токов КЗ в условиях различной структуры и параметров электрических сетей 110-500 кВ региональной энергосистемы.
Оценка эффективности стационарного деления электрической сети для ограничения уровней токов КЗ.
Оценка эффективности включения токоограничивающих сопротивлений в нейтрали и частичного разземления нейтралей силовых трансформаторов и автотрансформаторов для ограничения уровней токов КЗ на землю.
Апробация работы.
По результатам исследований сделаны доклады на следующих конференциях: VII симпозиум «Электротехника 2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии» (Минск, 2003); 9-я и 11-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2003, 2005), а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета).
Публикации по проведенным исследованиям имелись в журналах «Известия РАН. Энергетика» (2001), «Электричество» (2004), «Электрические станции» (2001, 2004, 2005), «Power technology and engineering» (2002) в трудах трех конференций. Количество публикаций по теме диссертации составляет десять печатных работ, из них шесть в центральных изданиях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (актов внедрения результатов работы).
В первой главе анализу подвергнуты методы и средства ограничения уровней токов КЗ. Проведен сравнительный анализ и критический обзор публикаций по проблеме. Выполнена общая постановка задачи. Сформулирована методологическая направленность исследований. Показано, что применение методов ограничения уровней токов КЗ следует выполнять с учетом их эффективности не столько в плоскости данной электроустановки и снабжаемых ею потребителей, сколько с позиции энергосистемы в целом.
Во второй главе произведен выбор моделей для оценки эффективности ограничения токов КЗ. Представлена модель электрической сети при расчетах токов короткого замыкания и установившихся режимов, а также расчетных условий вычислительного эксперимента. Предложена и обоснована методическая база технико-экономических сравнений вариантов электроустановок для обоснования эффективности рассматриваемых методов.
В третьей главе выполнена оценка эффективности ограничения токов КЗ воздействием на структуру и параметры электрической сети: схемные решения, деление электрической сети. Обобщен опыт использования методов ограничения токов КЗ. Выполнена обработка значений токов КЗ в электрических сетях 110-500 кВ, выявлены статистические закономерности. Установлены взаимосвязи между максимально допустимым уровнем токов КЗ и интегральными параметрами электрических сетей. Показано согласование параметров коммутационного оборудования. Исследовано влияние стационарного деления электрической сети на потери мощности и электроэнергии в них. Даны рекомендации по обоснованию эффективности рассматриваемых методов.
В четвертой главе выполнена оценка эффективность ограничения токов КЗ на землю: включением в нейтрали (авто)трансформаторов реакторов и резисторов и частичным разземлением в сетях 110 кВ. Даны соотношения токов однофазных и трехфазных КЗ. Обосновано общее и нормированно-необходимое
токоограничение. Доказано, что методы, касающиеся снижения токов однофазных КЗ, недостаточно эффективны и не позволяют в полной мере обеспечить их требуемую стабилизацию. Поэтому данные методы не рекомендованы для широкого применения без надлежащего на то обоснования.
Автор полагал, что проведенные исследования по оценке эффективности ограничения токов КЗ в энергосистемах окажутся полезными для инженерно-технических работников проектных организаций, энергосистем, а также студентов вузов.
Анализ эффективности методов ограничения токов короткого замы кания
Схемные решения применяются, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, а также мощных электростанций и схем развития основных электрических сетей. Они предусматривают изменение степени связи или жесткости связей между ними. Схемные решения заключаются в выборе оптимальных (при поставленных условиях и ограничениях) схем присоединения электростанций и подстанций к энергосистеме, структуры и параметров элементов электрических сетей.
Схемные решения затрагивают вопросы об укрупнении или разукрупнении мощностей электростанций и подстанций. _Так, при коммутации подстанций широко используются схемы ответвлений от проходящих линий или заход-выход [1.4], делящие коммутационный узел на непосредственно электрически не связанные части.
Эффективным схемным решением, ограничивающим рост уровней токов КЗ, является оптимизация структуры электрической сети. Так, для энергосистем Великобритании получены устойчивые соотношения между плотностью нагрузки и мощностью КЗ в сетях 110-400 кВ с одной стороны и предпочтительным номинальным напряжением сети - с другой [1.5]. Подобные разработки велись в ФРГ [1.6].Схемные решения в ряде случаев предусматривают продольное или поперечное деление электрических сетей.
Деление также используют в процессе эксплуатации, когда требуется ограничить рост уровней токов КЗ при развитии энергосистем. Различают стационарное и автоматическое деление сети.
Стационарное деление сети - это деление в нормальном режиме. Оно осуществляется с помощью секционных или шиносоединительных и, в ряде случаев, линейных выключателей электроустановок. Стационарное деление се ти производят тогда, когда максимальный уровень тока КЗ в конкретном узле сети превышает допустимый с точки зрения параметров установленного оборудования.
Автоматическое деление осуществляется в аварийном режиме с целью облегчить работу коммутационных аппаратов при отключении ими поврежденной цепи (на секционных или шиносоединительных выключателях, реже - на выключателях мощных присоединений). Автоматическое деление сети используется реже стационарного. Аварийное деление не уменьшает электродинамических воздействий на электрооборудование линейных присоединений и требует более высоких соотношений предельных сквозных токов выключателей и их токов отключения. В противном случае необходимо считаться с риском [1.7] при работе оборудования в зоне ненормированных параметров. Деление сети оказывает влияние на режимы, потокораспределение, устойчивость и надежность работы электростанций и энергосистем, а также на потери мощности и энергии в сетях. Это должно быть подвергнуто технико-экономическому анализу при выборе варианта деления сети.
Ограничению уровней токов однофазных КЗ исторически уделяется [В.1, 1.8-1.12] пристальное внимание. Тенденция выдачи мощности электростанций в сети 220 кВ и выше, когда необходимо заземлять нейтрали блочных трансформаторов, а также использование автотрансформаторов, работающих с заземленными нейтралями, приводит к тому, что в сетях энергосистем нередко создаются условия, когда ток /к однофазного КЗ превышает ток /к трехфазного КЗ. Это обстоятельство вынуждает проверять коммутационную способность выключателей по /к и утяжеляет условия их работы, так как однофазные КЗ возникают значительно чаще (в 40 и более раз), чем трехфазные. При формировании сетей необходимо стремиться к соблюдению условия /к К
Наиболее просто ограничение токов КЗ на землю при соотношении 4 - к достигается разземлением нейтралей части трансформаторов отдельных сетей, если это допустимо для изоляции их нейтралей и не приводит при отключении КЗ к выделению неэффективно заземленных или незаземленных участков сети с неустраненным КЗ на землю; ограничения токов КЗ так же можно обеспечить включением в нейтрали (авто)трансформаторов реакторов или резисторов.
Известно [1.13], что для сетей с заземлением тем или иным способом нейтралей при пренебрежении активными составляющими сопротивлений и при условии, что Х2=х\ справедливо: /к(1)//к(3)=3/(2+а); а= о/ ь (1Л) где х\, Х2 и хо - эквивалентные сопротивления схем соответственно прямой, обратной и нулевой последовательности относительно точки КЗ. Если а—»0, то в гО) і с 1-(3) пределе/Kv -1,5/к
Параметр а зависит от режима заземления нейтралей и связан с коэффициентом заземления /Сз=/ф.3//с.„ом=л/а2 + а +1 /(а + 2), (1 2) где 17смш - номинальное напряжение сети; С/ф.3 - напряжение на неповрежденной фазе при однофазном КЗ в сети. По условиям работы изоляции электроустановок сети ПО кВ и выше должны быть эффективно заземлены, т.е. заземлены так, чтобы у них напряжение на неповрежденных фазах при КЗ на землю в любой точке не превышало 80% линейного (1,4 фазного) номинального. Последнее определяется условиями работы установленных в сети так называемых 80%-ных разрядников и выполняется при а 5 (при пренебрежении активными сопротивлениями элементов сети).
Для ограничения токов КЗ на землю в сетях напряжением ПО кВ и выше кВ следует увеличивать эквивалентное сопротивление нулевой последовательности относительно точки КЗ. При этом наиболее логичным представляется увеличение сопротивления тех ветвей, которые являются наиболее специфичными с точки зрения циркуляции токов нулевой последовательности.
Модель электрической сети при расчетах токов короткого замыка ния
Расчеты электромагнитных переходных процессов являются необходимым условием решения многочисленных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации отдельных электроустановок и электроэнергетической системы в целом, поскольку приходится учитывать возможность нарушений их нормального режима работы. Одной из основных причин таких нарушений являются КЗ, представляющие собой случайные или преднамеренные, не предусмотренные нормальным режимом работы электроустановки электрические соединения различных ее точек между собой или с землей, при которых токи в ветвях, примыкающих к месту их возникновения, резко возрастают, превышая наибольшие допустимые токи продолжительного режима.
Расчеты переходных процессов при КЗ необходимы: для выбора электрооборудования электроустановок по условиям термической и электродинамической стойкости при КЗ, а выключателей также по отключающей способности; определения электродинамического и термического воздействия токов КЗ на токоведущие части; выбора средств ограничения токов КЗ; выбора уставок, настройки и оценки возможного действия средств релейной защиты и автоматики (РЗА); выбора оптимальных схем электрических соединений электроустановок; определения влияния токов нулевой последовательности линий электропередачи на линии связи; выбора заземляющих устройств; анализа аварий в электроустановках.
Математические методы решения рассматриваемого класса электротехнических задач разнообразны, но со временем сформировалось устойчивое представление, что наиболее эффективным методом является решение, основанное на использовании уравнений узловых потенциалов [2.5]. В матричном виде эти уравнения могут быть представлены в виде: I=Y U, (2.1) где Y - матрица узловых проводимостей (матрица собственных и взаимных проводимостей узлов), I - вектор узловых токов, U - вектор узловых напряжений (все элементы уравнения - комплексные числа).
В качестве базисной точки в уравнении (2.1) принимается нулевая точка схемы.
Для вычисления электрических величин при повреждениях в высоковольтной сети (в том числе и для расчета токов КЗ) уравнения узловых потенциалов решаются относительно узловых напряжений, а токи в ветвях расчетной схемы определяются по напряжениям в узлах по концам ветви и ее сопротивлению.
Для расчетов несимметричных КЗ матрица Y формируется отдельно для схем трех последовательностей: прямой, нулевой и обратной (в случае различий в сопротивлениях электрических машин в прямой и обратной последовательностях).
Расчет токов и напряжений при КЗ по методу узловых потенциалов выполняется наложением предшествующего режима и аварийного, обусловленного КЗ.
Для расчета напряжений предшествующего режима решается система (2.1) для прямой последовательности при векторе узловых токов, ненулевые элементы которого соответствуют узлам с источниками ЭДС (это, как правило, синхронные генераторы и компенсаторы, представленные расчетными моделями в виде ЭДС за сверхпереходными сопротивлениями, заменяемые эквивалентными источниками тока). При этом решении получается вектор узловых напряжений предшествующего режима, одним из элементов которого является напряжение предшествующего режима в месте (узле) КЗ.
Для расчета токов КЗ необходимо определить эквивалентные сопротивления схем отдельных последовательностей для места КЗ, для чего решается система (2.1) отдельно для каждой последовательности при задании в векторе узловых токов единственного тока в месте КЗ, равного единице. Решение системы (2.1) для каждой последовательности при единичном токе в месте КЗ по зволяет определить вектор узловых напряжений соответствующей последовательности (относительных напряжений аварийного режима) при единичном токе в месте КЗ, в том числе и напряжение в месте КЗ, равное искомому эквивалентному сопротивлению соответствующей последовательности.
По напряжению предшествующего режима в месте КЗ и эквивалентным сопротивлениям для отдельных последовательностей для места КЗ по виду КЗ и известным формулам определяется действительные токи отдельных последовательности в месте КЗ.
Умножение полученных ранее векторов относительных узловых напряжений отдельных последовательностей при единичных токах в месте КЗ на действительные токи в месте КЗ этих последовательностей дает вектор действительных аварийных напряжений последовательностей. Суммирование для прямой последовательности векторов напряжений предшествующего и аварийного режимов дает результирующий вектор напряжений прямой последовательности при КЗ.
По напряжениям узлов рассчитываются составляющие токов отдельных последовательностей в ветвях расчетной схемы.
Большим преимуществом метода узловых потенциалов является простота составления матрицы узловых проводимостей: диагональные элементы этой матрицы (собственные проводимости узлов) равны сумме проводимостей всех ветвей расчетной схемы, примыкающих к данному узлу, а любой недиагональный элемент (взаимная проводимость между двумя узлами) равен сумме проводимостей ветвей, непосредственно связывающих два узла расчетной схемы, с противоположным знаком.
Некоторые проблемы с составлением матрицы узловых проводимостей возникают только в нулевой последовательности для групп линий, имеющих общую трассу, т. е. связанных взаимоиндукцией друг с другом. Связь между напряжениями и токами для группы индуктивно связанных ветвей может быть представлена в виде: где I - вектор токов индуктивно связанных ветвей, Z - матрица собственных и взаимных сопротивлений индуктивно связанных ветвей, dU - вектор разностей напряжений по концам индуктивно связанных ветвей. Матрица Z формируется просто: диагональные ее элементы представляют собой собственные сопротивления нулевой последовательности индуктивно связанных ветвей, а недиагональные - сопротивления взаимоиндукции между этими ветвями (матрица Z также симметрична относительно главной диагонали). Для перехода к матрице узловых проводимостей необходимо выполнить обращение матрицы Z, что не вызывает каких-либо принципиальных трудностей из-за небольшого числа ветвей в группах с индуктивной связью (максимально возможное число ветвей в индуктивно связанных группах - 25). После обращения матрицы Z элементы обращенной матрицы используются в качестве дополнительных элементов при формировании матрицы узловых проводимостей для схемы нулевой последовательности.
Опыт использования методов ограничения токов короткого замыкания
Как известно, структура - определенная устойчивая взаимосвязь и взаиморасположение составных частей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность себе. При принятии решений в условиях многофакторности и неопределенности важно установление не конкретной структуры с территориальной, временной и параметрической «привязкой» объектов, а общая стратегия, концепция, принципы их построения, определение того типа структуры, к которому следует стремиться.
По мнению автора, системные исследования сложно организованных объектов, к которым относятся электроэнергетические системы, должны приводить к созданию не только математических моделей и оценке на их базе свойств альтернатив, но и к установлению предпочтительной структуры объектов. С указанных позиций в диссертации исследованы причинно-следственных связи, возникающие при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ, в совокупности с состоянием и развитием структуры и параметров электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны.
Представленный материал опубликован автором и в соавторстве в работах [1.14, 2.4, 3.1-3.4]. Опыт использования методов ограничения токов короткого замыкания Анализ 25-летнего периода развития одной из крупнейших энергосистем страны показывает, что острота проблемы ограничения токов КЗ сохраняется, несмотря на изменение внешних социально-экономических условий последних десяти лет. В какой-то мере об этом можно судить по динамике деления сетей энергосистемы (табл.3.1).
В общей сложности примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов сети 110-220 кВ принудительно подвергнуто стационарному делению на шиносоединительных и секционных выключателях. Автоматическое деление сети используется реже по причине, отмеченной в разд. 1.2.
Самые быстрые темпы прироста точек деления сетей (10% в год) наблюдались до середины 80-х годов - периода интенсивного развития энергосистем страны. Отрезок 1990-1996 гг. характеризовался спадом электропотребления и низкими объемами вводов генерирующих мощностей и электросетевого строительства. С 1997 г. начался рост электропотребления. К настоящему времени оно достигло предкризисного.
В табл.3.2 представлены обобщенные данные по уровням токов КЗ на шинах электростанций или на присоединениях при использовании блочных схем коммутации электростанций, например, генератор-трансформатор-линия.
Обозначения, принятые в табл.3.2:1К и 1К - суммарный (т.е. на шинах) ток трех- и однофазного КЗ; /к.вш и 4.и - суммарный ток трехфазного КЗ от внешней сети и от генерирующих источников; хвш 7л:и - соотношение сопротивлений внешнего и генерирующих источников для токов прямой последовательности; ) - блочная схема и стационарное деление шин приемной подстан 2 3 ции; ) - то же, но без деления; ) - стационарное деление шин электростанции; ) - два РУ, связанные по сети.
Деление сети или схемные решения, разукрупняющие коммутационные узлы, снижают не только уровни токов КЗ, но и жесткость сети - увеличение внешнего сопротивления сети. Последнее вынуждает координировать уровни токов КЗ с проблемой устойчивости систем. С точки зрения устойчивости ра боты электрических машин внешнее сопротивление л:вш генерирующих источников ограничено. Оно не должно превышать определенного значения, зависящего от параметров источников. Следовательно, для любой станции существует некоторый минимальный ток КЗ от внешней сети. Оценка максимально допустимого #вш.доп значения д:вш может быть произведена по условиям статической устойчивости, когда даже при представлении синхронного генератора параметрами Eq и Xd для энергоблоков 100 МВт и выше вш.доп 0,21--1,26 [В.1].
При стационарном делении всегда соблюдался нормированный [3.6] 20-процентный запас апериодической статической устойчивости по активной мощности не только при полной схеме сети, но и при отключении одной линии выдачи мощности (критерий л-1). Последнее положение, очевидно, не распространяется на блочные схемы коммутации.
Значения лгвш.доп с позиций сохранения динамической устойчивости подвергалось анализу специалистами различных организаций [В.1]. Так, для блоков 100 Мвт и выше с быстродействующими системами возбуждения при двухфазном КЗ на землю динамическая устойчивость обеспечивается, когда вш.доп-0,4-1,0. з исследуемой системе при стационарном делении сети динамическая устойчивость сохраняется при однофазных КЗ при успешном и неуспешном автоматическом повторном включении без воздействия средств проти-воаварийной автоматики (норматив [3.6]).
Соотношения токов однофазных и трехфазных коротких замыканий
Для ограничения токов однофазных КЗ в наиболее проблемных узлах (пяти крупных подстанциях и одной электростанции) в нейтрали автотрансформаторов (AT) 500/110 и 500/220 кВ рассматриваемой энергосистемы свыше 10 лет назад установлены 12 токоограничивающих реакторов с индуктивными сопротивлениями л:р, приведенными в табл.4.2 и выбранными в соответствии с предписаниями [1.11].
В табл.4.2 расчетные токи КЗ в электрической схеме сети на максимум нагрузки даны в именованных единицах в случаях, когда в нейтрали включены реакторы (сопротивление нейтрали Zjf=jx ) и при глухозаземленных нейтралях
Помимо суммарных (т.е. на шинах 110-500 кВ) значений токов 1К% трех-и 4Е однофазных КЗ в табл.4.2, дополнительно выделены токи однофазных КЗ в ветвях 110-500 кВ автотрансформаторов IKB (Zrf=jXp) и /к-в (Z/v=0). Для оценки токоограничивающего эффекта требуемые значения токов переведены в относительные единицы или проценты (табл.4.3). В табл.4.3 1К% (Z] =jxp) и 4Е (ZATO) - это 7к2 (Zprjxp) и /К (Z/v=0) из табл.4.2, отнесенные к соответ (3) (3) ствующим /К . Выбор в качестве базисного значения 1К% дает возможность не только оценить эффект токоограничения при введении в нейтраль сопротив ления, но и дать при этом соотношение уровней токов однофазных и трехфазных КЗ в расчетных узлах сети.
Как видно из табл.4.6, нормированно-необходимое ограничение токов однофазных КЗ составило 5-15, 0-7 и 0% по узлам сети напряжением соответственно ПО, 220 и 500 кВ. Такая относительно невысокая эффективность данного токоограничивающего мероприятия в развитой сети вызывало сомнение в практической целесообразности введения в нейтрали автотрансформаторов близлежащих узлов сети сопротивлений и поэтому вынудила (табл.4.3) ввести на шинах 110-220 кВ большей части подвергнутых анализу энергоузлов стационарное деление сети.
Из табл.4.6 так же следует, что токоограничивающие свойства реакторов и резисторов практически одинаковые. Максимальное различие в эффекте то-коограничения не более 2-4% (табл.4.6), что не принципиально с позиций выбора номинальных параметров коммутационных аппаратов. Данный факт обращает внимание на закономерности изменения эквивалентных параметров электрической сети при изменении режима заземления нейтралей.
Как было выявлено в разд.4.4, токоограничивающие свойства реакторов и резисторов практически одинаковые. Максимальное различие в эффекте токоо-граничения не более 2-4% (табл.4.6), что не принципиально с позиций выбора номинальных параметров коммутационных аппаратов. Данный факт обращает внимание на закономерности изменения эквивалентных параметров электрической сети при изменении режима заземления нейтралей.
Введение в нейтраль автотрансформатора сопротивления сказывается на параметрах его обмоток в схеме замещения нулевой последовательности (рис.4.13.); согласно [4.6] их сопротивления со стороны высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения: где Z BH, Z CH И Z HH - сопротивления эквивалентной звезды автотрансформатора, приведенные к стороне ВН; к - коэффициент трансформации.
