Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Уровни токов короткого замыкания и их ограничение в современных энергосистемах 12
1.1. Постановка задачи 12
1.2. Уровни токов короткого замыкания в электрических сетях 110-500 кВ ... 13
1.3. Способы ограничения уровней токов короткого замыкания в электрических сетях 20
1.4. Эффективность методов и средств ограничения токов короткого замыкания 25
Глава.2. Использование моделей для оценки влияния деления электрических сетей на режимы энергосистемы 29
2.1. Постановка задачи 29
2.2. Схема замещения энергосистемы Московского региона 30
2.3. Модель электрической сети при расчетах токов коротких замыканий 32
2.4. Модель электрической сети при расчетах установившихся режимов 37
2.5. Модель электрической сети при расчетах переходных процессов 39
Глава 3. Оценка влияния деления электрических сетей на надежность режимов работы энергосистемы 47
3.1. Постановка задачи 47
3.2. Изменение структуры и параметров электрических сетей при стационарном делении 48
3.3. Влияние деления электрических сетей на статическую устойчивость генераторов электростанций 57
3.4. Влияние деления электрических сетей на динамическую устойчивость генераторов электростанций 62
3.5. Выводы 72
Глава 4. Обоснование эффективности схемных решений для ограничения токов короткого замыкания 73
4.1. Постановка задачи 73
4.2. Взаимное влияние электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания 73
4.3. Анализ эквивалентных параметров электрических сетей, разделенных автотрансфомраторными связями 76
4.4. Влияние деления электрических сетей на потери активной мощности и электроэнергии 81
Заключение 97
Список использованных источников 101
- Уровни токов короткого замыкания в электрических сетях 110-500 кВ
- Схема замещения энергосистемы Московского региона
- Изменение структуры и параметров электрических сетей при стационарном делении
- Взаимное влияние электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания
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.
На ближайшие годы в стране запланированы вводы генерирующих мощностей. Особенно пристальное внимание уделяется густонаселенным промыш-ленно развитым регионам, в которых возможен дефицит мощности. По прогнозам к 2020 г. уровень электропотребления здесь может заметно возрасти. Такие приросты серьезно затронут структуру электростанций и электрических сетей [В.2].
Большая концентрация источников и потребителей электроэнергии на сравнительно небольшой территории накладывает особенность на организацию схем выдачи мощности электростанций и электрических сетей. Она связана с необходимостью глубокого ограничения токов КЗ в узлах энергосистемы. Дополнительный фактор их роста в крупных городах - применение кабельных линий 110 кВ и выше (для сохранения окружающей среды), имеющих более низкие значения сопротивлений по сравнению с воздушными линиями соответствующего класса напряжения.
Для ограничения токов КЗ на электростанциях и в сетях энергосистем используются [В.1] схемные решения, стационарное или автоматическое деление сети, токоограничивающие устройства, оптимизация режима заземления нейтралей электрических сетей.
Теоретические основы указанных методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [B.I, В.З-В.9 и др.] исследовались различные средства ограничения токов КЗ: реакторы простые и сдвоенные, трансформаторы с расщепленными обмотками, резонансные токоограни-чивающие устройства различных видов, ограничители ударного тока, вставки постоянного тока, а также устройства, использующие высокотемпературную сверхпроводимость. В работе [В. 10] описаны схемные решения, принимаемые на стадии проектирования.
Тем не менее, анализ фактических данных показывает [В. 11 - В. 16], что в электрических сетях ПО кВ и выше одним из основных и наиболее эффективных мероприятий оказывается деление сети. Так, в Московском регионе примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов сети 110-220 кВ (шин электростанций и подстанций) подвергнуто стационарному делению на шиносоедини-тельных, секционных и линейных выключателях (всего более 100 точек стационарного деления сети).
Стационарное деление шин 110-220 кВ электростанций и подстанций ограничило токи КЗ в Московском регионе уровнем до 30-40 кА, а не 130-140 и 70-80 кА в сетях соответственно 110 и 220 кВ при отсутствии деления.
Автоматическое деление сети используется реже. Оно 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 при работе оборудования в зоне ненормированных параметров.
Среди специалистов бытует мнение, что деление высоковольтных электрических сетей - вынужденное решение, отрицательно сказывающееся на надежности электростанций и электрических сетей. Оно снижает не только токи КЗ, но и жесткость сети - увеличивает ее результирующее эквивалентное сопротивление. Это требует согласовывать изменения структуры сетей с проблемой устойчивости. Действительно, с точки зрения устойчивости работы электрических машин эквивалентное сопротивление генерирующих источников ограничено. Оно не должно превышать определенного значения, зависящего от параметров источников. Аргументация носит во многом качественный характер и не подтверждена количественными показателями. Деление сетей так же нарушает естественное по-токораспределение активной мощности, приводя к возрастанию потерь мощности и электроэнергии в энергосистеме.
В диссертационной работе [В. 16] эти факторы так же были отмечены, но только качественно. Более того, стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ является вынужденным решением при эксплуатации энергосистем и не может заменить собой схемных решений (оптимизации структуры и параметров сетей - см. [В.1]).
Наконец, в последние годы в России наметилась тенденция к «отпусканию» уровней токов КЗ в электрических сетях. По требованию ОАО «СО ЕЭС» принудительно снижается количество точек деления сетей для повышения их надежности. Токи КЗ при этом существенно возрастают. Так, в Московском регионе на значительном количестве вновь вводимых электросетевых объектов устанавливается оборудование на максимально возможный ток КЗ не 40 кА, (как на протяжении многих десятилетий), а 63 кА. Такое оборудование в нашей стране практически не производится. Подобная техническая политика позволяет загружать только зарубежные электроаппаратостроительные заводы.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что до сих пор недостаточно исследована комплексная эффективность ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.
При решении подобного класса задач оправдано использовать общие положения изучения больших систем энергетики, именуемые системным подходом [В Л 7]. 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.
Таким образом, существо научно-технической задачи, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в оценке комплексного влияния ограничения токов короткого замыкания делением электрических сетей на режимы энергосистемы с учетом ее реальной структуры и параметров. Получаемые при этом 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 исследованием комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценки его влияния на режимы энергосистемы.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: выявлены закономерности, дающие оценку влияния ограничения уровней токов КЗ путем стационарного деления сети на надежность и экономичность режимов работы одной из крупнейших региональных энергосистем страны; установлены причинно-следственные связи, когда развитые электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счет различных схемных решений при проектировании энергосистем. уточнены рекомендации по выбору методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях ПО кВ и выше 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 комплексной оценкой эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей в условиях различной структуры и параметров реальной энергосистемы.
Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся при использовании основных методов ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования и эксплуатации в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны. Такая концепция реализована впервые. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:
Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях ПО - 220 кВ стационарным делением электрических сетей, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы.
Доказано, что электрические сети ПОкВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки приоритетно использовать принципы продольного и поперечного разделения сетей, предложенные проф. Б.Н. Неклепаевым [В.1], для стабилизации уровней токов КЗ, а именно: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения; б) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряжения; в) наложения сетей одного и того же на- пряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.
3. Обосновано на примере конкретной энергосистемы, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ энергосистем страны.
Практическое значение и внедрение.
Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.
Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.
Основные положения, выносимые на защиту:
Применение комплексного подхода для оценки эффективности ограничения уровней токов КЗ стационарным делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.
Оценка эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ.
Причинно-следственные связи в структуре и параметрах энергосистем при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ.
Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на следующих семинарах конференциях: 79-м и 80-м международных семинарах им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007; Иркутск, 2008); 13-й, 14-й и 15-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2008), а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета).
Публикации по проведенным исследованиям размещены в журналах «Известия РАН. Энергетика» (2009), «Электрические станции» (2007, 2008), Вестник ИГЭУ (2005) и в трудах четырех конференций и семинаров. Количество публикаций по теме диссертации составляет восемь печатных работ, из них четыре в изданиях по списку ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (акта внедрения результатов работы).
В первой главе Дан сравнительный анализ уровней токов КЗ, интегральных параметров электрических сетей и энергопотребления в Московском регионе за последние 30 лет. Анализу подвергнуты методы и средства ограничения уровней токов КЗ. Отмечена высокая эффективность стационарного деления электрической сети при ограничении уровней токов КЗ в регионе с высокой плотностью нагрузки. Показано, что применение стационарного деления сети может существенно влиять на надежность и экономичность режимов работы энергосистемы. Выполнена общая постановка задачи. Сформулирована методологическая направленность исследований. Обосновано использование комплексного подхода к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ стационарным делением электрических сетей.
Во второй главе представлены модели электрической сети при расчетах токов короткого замыкания, установившихся режимов и переходных процессов. Обоснована их пригодность для комплексного исследования эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях ПО - 220 кВ стационарным делением электрических сетей. Определены расчетные условия вычислительного эксперимента. Даны принципы обработки результатов вычислительного эксперимента.
В третьей главе выявлены основные причинно-следственные связи между показателями статической и динамической устойчивости генераторов электростанций и режимами деления сетей 110-220 кВ Московского региона. Выполнена обработка значений токов КЗ; предельных, передаваемых по сечениям, активных мощностей; относительных углов генераторов электростанций; показателей затухания электромеханических переходных процессов и выявлены их статистические закономерности. Доказано, что влияние стационарного деления на установившиеся режимы и переходные процессы в энергосистеме проявляется в нерасчетных режимах или носит качественный характер.
В четвертой главе выполнена оценка взаимного влияния сетей смежных классов напряжений 110-220 кВ на уровни токов КЗ в них. Дана схема замещения для анализа смежных электрических сетей. Представлен анализ ЭДС, сопротивлений и составляющих токов сетей смежных классов напряжения в условиях изменения режимов деления. Доказано, что электрические сети ПО кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Приведены результаты расчетов потерь мощности в линиях 110-220 кВ. Даны рекомендации по дальнейшему исследованию комплексного влияния схемных решений на стадии проектирования на технико-экономические условия работы сетей 110-220 кВ.
Автор полагает, что проведенные исследования по ограничению токов короткого замыкания делением электрических сетей и оценки его влияния на режимы энергосистемы окажутся полезными для инженерно-технических работников проектных организаций и энергосистем, а также студентов и научных сотрудников ВУЗов.
Уровни токов короткого замыкания в электрических сетях 110-500 кВ
Практикой большинства промышленно развитых стран принято жестко увязывать уровни токов КЗ в электрических сетях с их номинальным напряжением. В нашей стране, согласно [1.2] на шинах электростанций и подстанций токи КЗ не должны были превышать 40 и 63 кА при напряжении соответственно 220-330 и 500-750 кВ. Современные нормы [1.3] снимают данные требования, «отпуская», таким образом, токи КЗ в электрических сетях энергосистем.
В энергосистемах Италии, например, [1.4] считают, что ток КЗ по узлам сети не должен превышать 90% от: 50 кА для 220-380 кВ, 31,5 кА для 132-150 кВ. Запас в 10% определяется желанием компенсировать неопределенность в прогнозах генерации (потребления) на перспективу 5 лет.
Для анализа проводимой сетевыми компаниями политики «отпускания» токов КЗ в нашей стране были взяты электрические сети 110-500 кВ Московского региона. На сегодняшний день это наиболее крупная энергосистема на территории Российской Федерации. Вместе с тем, на ближайшие годы в стране запланированы большие вводы генерирующих мощностей. По прогнозам к 2020 г. уровень электропотребления в таких густонаселенных промышленно развитых регионах может заметно возрасти. Так, в Московском регионе максимум нагрузки в 2009 г. составил около 18000 МВт, а к 2020 г. ожидается увеличение до 27 800 МВт [В.2] (прогнозные докризисные оценки). Это обстоятельство только ухудшит существующую ситуацию с токами КЗ в сетях 110 - 500 кВ.
Как известно, уровень токов КЗ в узлах электрических сетей зависит от множества факторов: наличия крупных узлов генерации; количества линий электропередачи, степени сосредоточенности нагрузки в районе электроснабжения и др. Научные основы взаимосвязи таких параметров и токов КЗ в электрических сетях были заложены проф. Б.Н. Неклепаевым и изложены в [В.1]. Так к интегральным параметрам сети относятся: / - плотность электрической сети, а =—, км/км2, где / - суммарная про с s тяженность линий рассматриваемого класса напряжения в регионе площадью s; - площадь электроснабжения, приходящаяся на одну подстанцию s = , км , где п - суммарное количество подстанции рассматриваемого класса напряжения в регионе площадью s; - средняя длина линии, рассматриваемого класса напряжения / =- -, км, где пл - суммарное количество линий рассматриваемого класса напряжения в регионе; Интегральные параметры электрических сетей ПО - 500 кВ энергосистемы Московского региона приведены в табл. 1.2 [1.5].
Для иллюстрации связи уровней токов КЗ в сетях ПО - 500 кВ сих интегральными параметрами рассмотрим динамику изменения последних за период с 1970 г. по 2009 г. Исходными данными для данного сравнения является работы [В. 12, В. 18]. В табл. 1.3 приведены максимальные расчетные уровни токов КЗ в энергосистеме Московского региона и интегральные параметры электрических сетей 110-500 кВ. Отсутствие данных по ряду показателей до 1978 г, не мешает проследить закономерность взаимосвязи уровней токов КЗ и интегральных параметров сети.
Рост промышленного производства до 90-х годов определял развитие электрических сетей ПО - 220 кВ. Так с 1978 по 1983 гг. плотность сетей ПО кВ увеличилась на 70%, а количество подстанций увеличилось на 24 %, что, в свою очередь, привело и к росту токов КЗ (на 1-3 кА). В сетях 220 кВ за рассматриваемый 5 летний период возросла их плотность (до 60 %), при зафиксированном вводе только одной новой подстанции 220 кВ. Тем не менее, рост токов КЗ в указанной сети составил 5-7 кА, что очевидно было связанно с увеличением энергопотребления в регионе и строительством линий электропередач. Необходимо отметить, что в период с 1972 по 1983 гг. вместе с ростом энергопотребления в Московском регионе были введены крупные генерирующие мощности (ТЭЦ-21, ТЭЦ-22, ТЭЦ-23 и др.). Таким образом, вопросы развития электрической сети и вводов новых генерирующих мощностей должны рассматриваться в комплексе с вопросами ограничения уровней токов КЗ.
На рис. 1.1 приведены уровни энергопотребления в Московском регионе за период с 1990 по 2006 гг. Диаграмма построена по результатам официальных отчетов о прохождении осенне-зимнего максимума нагрузки в энергосистеме, опубликованных Министерством энергетики Российской Федерации. За указанный период вводов генерирующих мощностей в энергосистеме московского региона практически не было, следовательно, изменение уровней токов КЗ было связано только с изменением структуры электрических сетей. Сравнительный анализ интегральных распределений уровней токов одно- и трехфазных КЗ в узлах сетей ПО - 500 кВ рассматриваемой энергосистемы на максимумы нагрузки в 2001 и 2006 гг. приведен на рис. 1.3 - 1.5. Исходными данными для характеристик являлись материалы работы [В. 16] и значения, полученные расчетным путем (см. Гл.П).
Схема замещения энергосистемы Московского региона
Основой для любых расчетов являются исходные данные, от которых зависит точность и достоверность полученных результатов. Такими исходными данными для расчетов токов КЗ, переходных электромагнитных и электромеханических процессов является расчетная схема электрической сети. В расчетах использовалась нормальная схема на максимум нагрузки энергосистемы на 2005/2006 гг. Общие характеристики схемы приведены в табл.2.1.
Как известно [2.1] для отображения свойств реальных цепей составляется схема замещения, которая зависит от ряда определенных условий. Такими условиями, например, являются допущения [2.1 - 2.4], которые учитываются при расчетах электромагнитных переходных процессов и токов КЗ: одновременность работы всех источников энергии, наличие у синхронных двигателей устройств автоматического регулирования напряжения и форсировки возбуждения, совпадения по фазе ЭДС всех источников и т.д. При расчете электромеханических процессов требуется более подробный учет всех влияющих факторов так как длительность первых может составлять до нескольких десятков секунд.
Таким образом, схемы замещения для расчетов токов КЗ, электромагнитных и электромеханических процессов были составлены особым образом учитывая спицифику их физических процессов и расчетных математических моделей.
Все элементы энергосистемы представляются в расчетной схеме своими распространенными схемами замещения [2.1, 2.3, 2.4]: линии электропередачи П-образной; трансформаторы - Г-образной; генераторы, синхронные двигатели ЭДС и сопротивлением; и т.д. Пример схем замещения элементов, примыкающих к одному узлу дан на рис. 2.1.
Для обеспечения идентификации элементов схемы, хранения, чтения и записи в электронном виде уникальных свойств элементов в расчетной схеме все узлы имеют цифровую нумерацию.
При составлении схемы замещения для расчетов токов КЗ учитывалась удаленность элементов от точки КЗ, так смежные энергосистемы представлялись в виде источника с неизменной по амплитуде ЭДС и результирующим эквивалентным индуктивным сопротивлением [2.1]. Для расчетов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в схему замещения вводился балансирующий узел (шины неизменного напряжения). Это широко используется при моделировании сравнительно небольших возмущений, то есть не приводящих к значительным небалансам мощности и разделению энергосистемы [2.5].
Важным допущением схем замещения всех расчетных моделей являлось отсутствие нелинейных пассивных элементов в схеме. То есть все сопротивления линий, (авто)трансформаторов, реакторов представлялись линейными характеристиками. Для расчетов токов КЗ, линейными представлялись также все активные элементы (генераторы, нагрузка). В расчетах установившихся режимов и переходных процессов активные элементы представлялись нелинейными характеристиками [2.4].
Все характеристики элементов расчетной схемы были взяты на основании единой базы данных по установленному оборудования в ОАО «Мосэнерго». Актуальность расчетной схемы энергосистемы Московского региона подтверждается ее многолетним опытом использования в службах ОАО «Мосэнерго».
Для комплексной оценки эффективности стационарного деления требовалось провести расчеты токов КЗ. Их учет является 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. Теория электромагнитных переходных процессов изложена в работах [2.2, 2.3]. Одной из основных причин таких нарушений и являются КЗ, представляющие собой случайные или преднамеренные, не предусмотренные нормальным режимом работы электроустановки электрические соединения различных ее узлов между собой или с землей, при которых токи в ветвях, примыкающих к месту их возникновения, резко возрастают, превышая наибольшие допустимые токи продолжительного режима [2.1]. Значения токов 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 то-коведущие 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. Методические основы по расчету токов КЗ приведены в работе [2.1].
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 [2.6]. В матричном виде эти уравнения могут быть представлены в виде
Изменение структуры и параметров электрических сетей при стационарном делении
В течение 30-летнего периода развития энергосистемы Московского стационарное деление электрических сетей ПО - 220 кВ использовалось для ограничения токов КЗ. Об этом можно судить по динамике деления сетей энергосистемы (табл.3.1) [1.5].
На сегодняшний день, 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. Период с 1990-х гг. явился паузой, в течение которой удалось в определенной мере привести в соответствие отключающую способность коммутационных аппаратов с достигнутыми токами КЗ. В сети 500 кВ стационарное деление не используется.
Влияние стационарного деления на надежность электроснабжения потребителей можно пояснить на следующем примере (рис. 3.1). Пусть в узлах 1 и 2 уровень токов КЗ превышает коммутационную способность выключателей присоединений. Для ограничения токов КЗ в узлах секционный выключатель СВ переводится в отключенное положение. При этом генератор Г1 становится связан с энергосистемой Сі только одной группой линий электропередач.
Согласно [2.7] предельная передаваемая мощность (в общем виде) электропередачи определяется выражением (3.1): где U - напряжение в узле 3; Е - ЭДС генераторов электростанций (эквивалентное значение); Хс - эквивалентное индуктивное сопротивление системы.
В Хс входят индуктивные сопротивления элементов принципиальной схемы с учетом преобразований. При отключенном СВ сопротивление Хс будет выше, за счет увеличения сопротивления линий электропередачи. Согласно (3.1) произойдет снижение предельной передаваемой мощности. Характеристики предельной мощности от угла напряжения с делением и без него приведены на рис.3.2.
Длительная устойчивая работа генераторов возможна только в точках а и Ъ, при этом площадь, ограниченная характеристиками 1 и 2, лежащих выше линии Р0, и самой Р0 определяет запас устойчивости электропередачи. Чем Si больше 1%, тем выше запас устойчивости и, следовательно, тем труднее систему вывести из устойчивой работы. Необходимо отметить, что не всякая потеря устойчивости приводит к нарушению электроснабжения потребителей. Как правило, в крупных энергосистемах у генераторов может иметь место кратковременная потеря устойчивости (синхронизма), в дальнейшем автоматика регулирования вновь синхронизирует его работу с энергосистемой. Это явление носит название результирующей устойчивости [2.5].
Обычно выдача мощности от генераторов крупных электростанций производится через распределительные устройства двух повышенных напряжений (110, 220 кВ), каждое из которых связанно с энергосистемой несколькими линиями электропередач (рис.2.2). Это обстоятельство усложняет оценку изменения структуры электрических сетей при стационарном делении.
Кроме снижения токов КЗ в узлах, стационарное деление разукрупняет их на непосредственно электрически не связанные части. Так, при КЗ в узле 1 и отключенном выключателе СВ, генераторы, подключенные к узлу 2, будут электрически удалены от точки КЗ (рис. 3.1). Рассмотрим это на конкретном примере: пусть на линии 1876-248 (рис.2.2) происходит трехфазное КЗ, генератор Г-7 непосредственно связан с точкой КЗ, а генератор Г-6 связан с ней через энергосистему. На рис. 3.3 даны результаты расчета относительного угла и токи статоров генераторов Г-6 и Г-7. Максимальные значения каждого параметра даны в табл. 3.2.
Возмущения, которые оказывает КЗ на генератор, удаленный от него в 1,5 раза меньше по относительному углу и в 2,4 меньше по динамическим нагрузкам (ток статора). Динамические нагрузки на оборудование РУ (выключатели, разъединители, трансформаторы тока, шинные опоры и пр.) присоединений электрически не связанных с точкой КЗ так же снижаются. Поэтому, с указанных позиций стационарное деление облегчает условия работы оборудования. Необходимо отметить, что при стационарном делении практически отсутствует вероятность погашения целого РУ при отказе выключателя аварийного присоединения.
Изменение структуры электрических сетей при стационарном делении приводит к увеличению ее результирующего эквивалентного сопротивления. Для оценки этого был проведен расчет токов КЗ и активных и реактивных сопротивлений прямой последовательности для двух схем энергосистемы: фактической (с стационарным деление сетей 110-220 кВ) и с ликвидированными точками деления. Здесь и далее под ликвидацией понимается замыкание узлов, которые были разделены точкой деления. Рассматривалась схема на максимум нагрузки 2006-2007 гг. По результатам расчета были построены интегральные распределения токов КЗ (рис.3.4) и сопротивлений (рис.3.5).
Взаимное влияние электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания
На рис.3.4 разд. 3.2 были приведены интегральные распределения расчетных токов трехфазных КЗ /к п0 узлам сетей 110-500 кВ, рассматриваемой энергосистемы, в нормальной схеме сетей 110-500 кВ на максимум нагрузки, а так же при принудительной ликвидации всех точек стационарного деления сетей ПО и 220 кВ. На рис.4.1 представлены аналогичные зависимости для сети 220 кВ с одним лишь отличием. Кривая 2 на рис.4.1 рассчитана из условий ликвидации всех 109 точек стационарного деления сети ПОкВ, при сохранении таковых для
Напротив, ликвидация точек деления в сети 110 кВ может привести к значительному (до 23%) увеличению токов КЗ в узлах сети 220 кВ. Однако это справедливо лишь для нескольких узлов - шин ряда крупных подстанций. У 90% узлов 220 кВ рост уровней токов КЗ при ликвидации точек стационарного деления сети 110 кВ не превышает 10% (рис.4.3, б) - принятой инженерной точности расчета токов КЗ в энергосистемах. Чтобы понять причину незначительного взаимного влияния сетей рассмотрим вариацию их параметров при изменении режима стационарного деления сетей. схеме замещения сопротивления элементов — комплексные величины, где превалирует индуктивная составляющая (углы порядка 80-85 градусов и более).
Как видно из табл.4.1, ликвидация точек стационарного деления сети 110 кВ заметно (до 2,11 раз) увеличивает эквивалентный ток КЗ / по(эк) (то есть со стороны ПО кВ). Однако его абсолютное значение на порядок меньше тока І220(зк) (со стороны 220 кВ). При этом изменение /220(эк) незначительное и не превысило 18%. Данные соотношения более наглядно подтверждаются анализом сопротивлений в табл.4.2.
В табл.4.2 приведены модули сопротивлений на рис.4.4 для тех же узлов, что и в табл.4.1. Поскольку ток обратно пропорционален сопротивлению, то для сопоставимости данных из табл.4.1 и 4.2 отношения сопротивлений (перед обозначениями стоит знак «А») берутся иначе по сравнению с отношениями токов из табл.4 Л. А именно, сопротивления в фактической нормальной схеме делится на значение сопротивления, полученное в схеме с ликвидированными точками деления сети ПОкВ. Обозначения сопротивлений приведено выше; сопротивление ZK=Z22O//Z IIO(3K) - это эквивалентное сопротивление относительно точки КЗ.
Из табл.4.2 следует, что ликвидация точек деления сети 110 кВ незначительно (до 14%) влияет на эквивалентное сопротивление сети 220 кВ относительно точки КЗ. Напротив, эквивалентные сопротивления сети 110 кВ при изменении режима ее деления меняются в разы, а в отдельных случаях и на порядок. При этом эквивалентное сопротивление Z no(3K) может быть намного выше 220? в том числе за счет индуктивности автотрансформатора связи (более 20 Ом). Значения AZK (табл.4.2) для одноименных узлов сети соответствуют таковым для А/к (табл.4.1), различаясь не более чем на процент из-за погрешности расчетов.
Составляющая суммарного тока КЗ со стороны смежной ступени напряжения сравнительно невелика за счет конечных значений сопротивлений между сетями. В качестве дополнительной аргументации в табл.4.3 приведены те же составляющие тока, как на рис.4.4, а) ив табл.4.1, но при КЗ на стороне не 220 кВ, а 110 кВ - см. расчетную схему на рис.4.4, в).
Как следует из табл.4.3, изменение режима деления сети 110 кВ может многократно (более чем в пять раз) увеличивать эквивалентную составляющую тока со стороны ПО кВ. При этом составляющая тока со стороны 220 кВ меняется незначительно и ее значение в несколько раз меньше составляющей со стороны ПОкВ.
Таким образом, значения токов КЗ в сложнозамкнутых сетях 110 кВ и выше определяются преимущественно параметрами сети рассматриваемой ступени напряжения. Составляющая суммарного тока КЗ со стороны смежной ступени напряжения сравнительно невелика за счет конечных значений сопротивлений между сетями.
