Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возможных повреждений фпу с тк и разработка требований к его релейной защите 12
1.1. Роль фазоповоротных устройств в обеспечении оптимизации перетоков активной мощности по линиям электропередачи и научно-технические проблемы построения релейной защиты ФПУ с тиристорным коммутатором 12
1.2. Особенности схемы ФПУ с ТК и его функциональные характеристики 16
1.3. Режимы работы ВТК для ФПУ с питанием шунтового трансформатора от вывода средней точки сериесного трансформатора 19
1.4. Виды повреждений и ненормальные режимы работы фазоповоротных устройств 22
1.5. Требования, предъявляемые к релейной защите фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором 25
1.5.1. Общие требования, предъявляемые к релейной защите ФПУ. 26
1.5.2. Требования к релейной защите тиристорного коммутатора 28
1.5.3. Селективность 29
1.5.4. Чувствительность 29
1.6. Применяемые комплексы защит ФПУ различного типа с РПН 32
1.6.1. Комплект релейной защиты ФПУ первого типа с РПН 32
1.6.2. Комплект релейной защиты ФПУ второго типа 33
1.6.3. Комплект защит ФПУ третьего типа 33
Выводы к главе 1 40
2. Анализ режимов работы фазоповоротного устройства с тиристорным коммутотором 41
2.1. Схема присоединения ФПУ к ЛЭП и его работа в эксплуатационном режиме. 41
2.2. Включение ФПУ в нормальном режиме. 44
2.3. Отключение ФПУ в нормальном режиме его работы 51
2.3.1. Отключение ФПУ с переходом ВТК в нулевую ступень. 52
2.3.2. Отключение ФПУ от тиристоров 54
2.3.3. Отключение ФПУ от тиристоров с выдержкой времени. 56
2.3.4. Отключение ФПУ без прерывания тока в ЛЭП. 58
2.4. Внешние короткие замыкания 60
2.4.1. Расчёт аналитическим методом. 63
2.4.2. Расчёт методом имитационного моделирования. 65
2.4.3. Расчёт методом симметричных составляющих. 70
2.5. Внутренние короткие замыкания 77
2.5.1. Короткое замыкание в точке между вентильной обмоткой сериесного трансформатора и токоограничивающим реактором 77
2.5.2. Короткое замыкание в точке между токоограничивающим реактором и ВТК 80
Выводы к главе 2 85
3. Методика выполнения структуры комплекса релейной защиты фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором и выбора параметров срабатывания релейной защиты 86
3.1 Общий принцип построения РЗ ФПУ с тиристорным коммутатором. 86
3.2. Комплекс защит ФПУ с тиристорным коммутатором. 88
3.2.1. Дифференциальная защита сериесного трансформатора . 91
3.2.2. Дифференциальная защита шунтового трансформатора. 93
3.2.3. Дифференциальная защита ВТК 95
3.2.4. Дифференциальная защита сетевой обмотки сериесного трансформатора. 98
3.2.5. Методика расчёта параметров срабатывания и проверки чувствительности дифференциальной защиты ФПУ 99
3.2.6. Пример расчёта 108
3.2.7. Анализ возможности применения комплекса РЗА ФПТ для ФПУ с ТК. 111
3.3. Моделирование включения ФПУ 116
3.3.1. Включение Q6T (холостой ход) 116
3.3.2. Включение Q6T (нулевая ступень) 118
3.3.3. Включение Q5T 119
3.4. Резервные защиты 120
3.4.1. Методика расчёта параметров срабатывания и проверки чувствительности максимальной токовой защиты 121
3.4.2. Пример расчета параметров срабатывания и проверки чувствительности измерительных органов МТЗ сетевой обмотки сериесного трансформатора. 125
3.5. Технологические защиты 127
3.5.1. Технологические защиты трансформаторов 127
3.5.2. Технологическая защита ВТК 128
Выводы к главе 3. 130
4. Контроль состояния фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором 131
4.1. Плановое диагностирование тиристоров с отключением ФПУ и выводом ВТК из работы 135
4.2. Контроль состояния тиристорного плеча моста 137
4.3. Контроль состояния каждого тиристора в плече моста . 139
4.4. Рекомендации по настройке резервных защит элементов, окружающих ФПУ. 150
Выводы к главе 4 152
Заключение 153
Список литературы
- Особенности схемы ФПУ с ТК и его функциональные характеристики
- Отключение ФПУ в нормальном режиме его работы
- Дифференциальная защита сериесного трансформатора
- Контроль состояния каждого тиристора в плече моста
Особенности схемы ФПУ с ТК и его функциональные характеристики
Наиболее перспективной схемой, реализующей продольно – поперечное регулирование выходного напряжения ФПУ и обеспечивающей рабочее напряжение ЛЭП, не превышающее допустимое значение наибольшего рабочего напряжения для ЛЭП с номинальным напряжением 220 кВ при углах фазового сдвига более 20 оэл., является схема (рисунок 1.5. ФПУ с питанием первичной (сетевой) обмотки шунтового трансформатора от средней точки вторичной (сетевой) обмотки сериесного трансформатора [9]. Первичные обмотки шунтового трансформатора, соединенные в звезду, подключены к средним точкам сетевых обмоток сериесного трансформатора, включенных в рассечку линий электропередачи [18].
Вторичная (вентильная) обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически не связанных секций, причём все они имеют разные коэффициенты трансформации и разное число витков. Отношение числа витков w1:w2:w3:…wN секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора соответствует выражению 2N-1, где N – порядковый номер секции (N = 1,2,3…N). При указанном соотношении числа витков секций вторичной обмотки шунтового трансформатора обеспечивается дискретно - непрерывное изменение угла фазового сдвига и вольтодобавочного напряжения ФПУ. При N=4 вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора будет иметь по четыре отдельные секции с соотношением числа витков согласно выражению 2N_1, Wi:w2:w3:w4 = 1:2:4:8. Число ступеней регулирования угла фазового сдвига при отношении числа витков секций вторичной обмотки согласно выражению 2N_1 можно определить следующим образом: обмотки шунтового трансформатора 1.3. Режимы работы ВТК для ФПУ с питанием шунтового трансформатора от вывода средней точки сериесного трансформатора Режимы работы ФПУ с ТК целесообразно рассмотреть на примере разрабатываемого ОАО «ЭНИН» ФПУ с четырьмя вторичными обмотками шунтового трансформатора (рисунок 1.6). Высоковольтный тиристорный коммутатор, входящий в состав ФПУ, в отличии от устройства РПН в ФПТ, выполняет здесь функции бесконтактного коммутатора переменного тока [18].
Каждая фаза ВТК включает 4 последовательно включённых моста переменного тока ТК1_А(В, С), ТК2_А(В,С), ТК3_А(В,С) и ТК4_А(В,С) по числу вторичных обмоток шунтового трансформатора. Каждый тиристорный мост в установившемся режиме работы может находиться в одном из трех состояний: Как видно из рисунка 1.7 во всех мостах, вне зависимости от ступени регулирования, два плеча будут проводить ток. Поэтому вопрос обеспечения исправного состояния тиристоров является актуальным как в переходном, так и в установившемся режиме. ФПУ – трехфазное устройство, и, как показано на рисунке 1.9, при условии симметрии токов и напряжений в линии, переключение всех фаз тиристорного коммутатора в один момент времени невозможно.
Во время перехода с одной ступени на другую по окончании коммутации в одной из фаз разрешенных интервалов в других фазах (или в одной из них) может уже не быть. Поэтому по истечении заданного времени (не более 200 мс) система управления возвращает тиристорный коммутатор в исходное состояние.
Несовпадение разрешенных временных интервалов в трех фазах тиристорного коммутатора ФПУ В течение этого времени сохранится несимметричный режим работы ФПУ, и, следовательно, ЛЭП. РЗА не должна реагировать на этот несимметричный режим. Система управления регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) ВТК выполнят как функции контроля состояния, так и функции технологической защиты ВТК.
Сведения, приведённые выше, свидетельствуют о необходимости координации действий СУРЗА ВТК и РЗА ФПУ, а также возможной переоценки параметров срабатывания действующих защит линий и окружающих ФПУ элементов.
Отключение ФПУ в нормальном режиме его работы
Поскольку сериесный трансформатор установлен в сеть последовательно, ток, протекающий в вентильной обмотке, а значит и ток, протекающий в тиристорах, будет пропорционален току, протекающему в линии.
Это справедливо как для нормального режима работы ФПУ, так и при внешних коротких замыканиях.
При протекании тока, превышающего длительно допустимые значения тока тиристора, сработает технологическая защита ВТК, которая снимет импульсы управления с тиристоров. При этом, время срабатывания технологической защиты ВТК зависит от тока в тиристорах.
Наиболее худшим вариантом является ситуация при внешнем КЗ непосредственно на выводе ФПУ, когда ток максимален.
При этом вентильная обмотка сериесного трансформатора окажется отключённой от ВТК, то есть для сериесного трансформатора ток, протекающий в сетевой обмотке будет ограничиваться индуктивностью намагничивания сериесного трансформатора также, как при режиме холостого хода (которым, по существу, и будет являться данный режим).
Таким образом, сопротивление ФПУ будет состоять не только из эквивалентного сопротивления сериесного трансформатора, но и сопротивления индуктивности намагничивания, которая имеет величину порядка сотен килоом (см. пункт 2.4). Это будет означать, что ток короткого замыкания будет ограничиваться этим сопротивлением, а значит его величина не будет превышать номинальных значений для линии.
Если линия, где установлено ФПУ имеет дифференциально-фазную защиту, то средства защиты РЗА смогут отреагировать на данное событие. Однако, если линия защищена, к примеру, токовой защитой или дифференциальная защита не сработала, то должна будет сработать резервная защита с противоположного конца ЛЭП. Резервная защита с данного конца ЛЭП не будет реагировать на данное короткое замыкание, так как для защиты со стороны ПС1 будет включено сопротивление намагничивания сериесного трансформатора, а для ПС2 до места КЗ окажется сопротивление самой ЛЭП.
Поскольку ЛЭП окажется разомкнутой, то необходимо зашунтировать сетевую обмотку сериесного трансформатора для того, чтобы позволить сработать резервной защите линии. где IКЗ – ток короткого замыкания при установленном ФПУ; I КЗ – ток короткого замыкания при отключенном ФПУ; Iном – ток, протекающий до момента возникновения КЗ. Участок 0 (рисунок 2.10) соответствует току нагрузки ЛЭП, участок 1 -началу аварийного процесса, сопровождающегося наличием тока короткого замыкания в ЛЭП при введенном в работу ФПУ, участок 2 - закрытому состоянию тиристоров ВТК после снятия импульсов цепи управления, а участок 3 - отключенному состоянию выключателей Q5T и Q6T. Участок 4 соответствует интервалу времени с включенным выключателем Q4T. При этом ток в линии увеличится до величины, превышающей его значение на участке 1, что обусловлено исключением сопротивления ФПУ из контура протекания тока.
Поскольку время отключения выключателя меньше времени его включения, сначала ток в линии снизится до нуля (примерно 40-60 мс), а после этого замкнётся выключатель Q4T и ток в линии вырастет до значения тока КЗ (но уже без ФПУ). Только после этого, средства токовой защиты линии смогут обнаружить короткое замыкание на линии.
Если ток, протекающий в тиристорах будет таким, что технологическая защита ВТК не сработает (как в результате выхода из строя технологической защиты ВТК, так и в следствие протекания допустимого уровня тока в тиристорах), а устройства РЗА ФПУ подадут команду на отключение, то ФПУ будет отключено по сценарию отключения ФПУ в штатном режиме.
Вышесказанное свидетельствует о необходимости проведения количественной оценки токов, протекающих в ФПУ.
Рассмотрим три различных способа расчёта токов, протекающих в ФПУ. Для всех предложенных способов примем допущения: фазоповоротное устройство установлено в линию ограниченной длины; эквивалентные генераторы обладают конечной мощностью. 2.4.1. Расчёт аналитическим методом. Рассмотрим схему сети с установленным ФПУ, представленную на рисунке 2.11 и запишем основные соотношения токов и напряжений.
Таким образом, получена система из 21 уравнения с 21 неизвестным, что, в соответствии с [43] доказывает возможность нахождения всех этих неизвестных. И хотя решение этих уравнений позволит определить все необходимые значения токов и напряжений, достаточных для определения токов короткого замыкания в ФПУ, решение такой сложной системы уравнений может занять значительно времени и отнять много сил. К сожалению, данный метод расчёта не может показать динамику развития процессов, поэтому расчёты токов короткого замыкания целесообразно проводить другими методами, например, с применением имитационного моделирования или метода симметричных составляющих.
Дифференциальная защита сериесного трансформатора
При малых значениях выдержек времени может потребоваться дополнительная отстройка по уровню тока от броска тока намагничивания при включении трансформатора, находившегося в режиме холостого хода. Данный режим чаще всего будет происходить при смене угла регулирования с нулевого на ненулевой.
В условиях эксплуатации рекомендуется также производить согласование по чувствительности параметров срабатывания рассматриваемой защиты с параметрами срабатывания последних, наиболее чувствительных ступеней защит от многофазных КЗ предыдущих элементов или с параметрами срабатывания максимальных токовых защит с пуском напряжения, установленных на сторонах более низкого напряжения защищаемого трансформатора. Согласование, согласно [27], производится по выражениям, приведённым ниже. kток - коэффициент токораспределения, равный отношению тока в месте установки рассматриваемой защиты к току в смежном элементе, с защитой которого производится согласование; Iс.з.пред - ток срабатывания максимальной токовой защиты предыдущего элемента, приведенный к стороне ВН защищаемого трансформатора, с которой производится согласование, А. Согласование с дистанционной защитой производится по выражению Iс.з , =г, (3.15) л/3 —зн —hAZ 1k ток kток J где Uном - номинальное напряжение трансформатора со стороны ВН, кВ; Zzз - результирующее сопротивление участка от ФПУ до места установки рассматриваемой токовой защиты со стороны питания при КЗ на предыдущем элементе, Ом; Zс.з.пред - сопротивление срабатывания защиты предыдущего элемента, с которой производится согласование, Ом; Z - сопротивление участка от места установки рассматриваемой токовой защиты до места установки защиты предыдущего элемента, с которой производится согласование, Ом;
kток и kток - коэффициенты токораспределения, равные отношению тока в месте установки рассматриваемой защиты к току в смежном элементе, с защитой которого производится согласование (kток) и к току в сопротивлении со стороны питания (k ток). Значения коэффициентов рассчитываются для такого режима прилегающей сети и положения РПН, при котором обеспечивается максимальное значение величины Iс.з.
Защита последующего элемента должна согласовываться по чувствительности с защитой предыдущего элемента. Допускается не согласовывать между собой ступени этих защит, если чувствительность последующего (рассматриваемого) элемента не обеспечивается.
Согласование производится только в тех случаях, когда это признано целесообразным для обеспечения надежного электроснабжения потребителей и при этом обеспечивается требуемая чувствительность рассматриваемой защиты. Согласно [27], коэффициент чувствительности определяется по выражению kч = к.мин , (3.19) с.з где Iк.мин - минимальное значение тока в месте установки защиты при расчетном виде КЗ и приведенное к стороне ВН защищаемого трансформатора.
В качестве расчетного рекомендуется рассматривать трехфазное и междуфазное КЗ.
Коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5 при выполнении МТЗ функций основной защиты шин и не менее 1,2 при выполнении функций резервирования.
Срабатывание первой ступени МТЗ с автоматическим ускорением при включении выключателя на отключение ФПУ производится с выдержкой времени.
Выдержка времени выбирается исходя из перегрузочных способностей тиристоров. В случае, когда тиристоры способны выдержать максимальные токи короткого замыкания длительное время (обычно более 500 мс), выдержка времени выбирается в диапазоне от 100 до 300 мс (обычно это значение составляет 100 мс).
Вторую ступень МТЗ рекомендуется использовать в качестве токовой отсечки без выдержки времени. Ток срабатывания второй ступени выбирается согласно [27], исходя из следующих условий: отстройка от максимального тока при внешнем коротком замыкании на шинах 125 Iсз kотс Iк.макс (3.20) где kотс = 1,3 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность в расчете тока КЗ Iк.макс, погрешность в расчёте токе срабатывания реле, а также наличие апериодической составляющей в токе короткого замыкания; I к.макс - первичный максимальный расчетный ток в фазе в месте установки защиты при внешнем КЗ. отстройка от суммарного броска тока намагничивания шунтового трансформатора Iс.з 4 IномТ (3.21) где I ном.Т - номинальный ток шунтового трансформатора. Параметр срабатывания максимальной токовой защиты принимается равным наибольшему из рассчитанных значений.
Контроль состояния каждого тиристора в плече моста
Мостовые схемы тиристорных ключей коммутатора UT всех секций вторичной обмотки фазы трансформатора Т1, соединенные последовательно, своими высоковольтными выводами подключены к первичным (вентильным) обмоткам сериесного трансформатора Т2, соединенным в треугольник. Так, выводы тиристорных ключей фазы А подключены к выводам А1 – Х1 первичной обмотки сериесного трансформатора Т2 фазы А, выводы тиристорных ключей фазы В подключены к выводам B1 – Y1 первичной обмотки сериесного трансформатора Т2 фазы А, выводы тиристорных ключей фазы С подключены к выводам C1 – Z1 первичной обмотки сериесного трансформатора Т2 фазы С. Вторичные (сетевые) обмотки каждой фазы сериесного трансформатора Т2 включены в рассечки линий соответствующих фаз электропередачи. При выборе коэффициента трансформации сериесного трансформатора Т2 следует учитывать следующие условия. Во-первых, при выбранном коэффициенте трансформации для номинального и максимального тока нагрузки линий электропередачи не потребуется параллельное соединение тиристоров в высоковольтных тиристорных ключах коммутатора. Во-вторых, при вольтoдобавочном напряжении, которое должно обеспечиваться ФПУ при максимальном угле фазового сдвига, уровни напряжений мостов тиристорных ключей коммутатора UT должны получаться такими, для которых на предприятии – изготовителе полупроводниковых приборов, в данном случае ОАО «Электровыпрямитель», уже освоено производство преобразователей (и соответственно коммутаторов) такого класса напряжений.
Способ поперечного регулирования напряжения ФПУ может быть реализован только при углах фазового сдвига не более 18 о эл. Поэтому при углах фазового сдвига более 18 о эл. следует применять способ продольно – поперечного регулирования выходного напряжения ФПУ.
Одной из схем ФПУ, реализующей продольно – поперечное регулирование выходного напряжения, разработанной в ОАО «ЭНИН», является схема ФПУ с раздельным формированием поперечной и продольной составляющих выходного напряжения [20]. Функциональная схема ФПУ с раздельным формированием поперечной и продольной составляющих выходного напряжения представлена на рисунке П1.2.
Первичные (сетевые) фазные обмотки шунтового трансформатора ФПУ Т1, соединенные в звезду, подключены к линиям 220 кВ трехфазной сети на передающем конце электропередачи. Вторичные (вентильные) фазные обмотки шунтового трансформатора Т1 имеют по шесть отдельных секций. Каждая секция вторичной обмотки шунтового трансформатора Т1 включена на входные выводы определенного моста тиристорных ключей соответствующей фазы коммутатора UT. Таким образом, каждая фаза ФПУ имеет 6 секций вторичной обмотки шунтового трансформатора Т1 и 6 мостов тиристорных ключей коммутатора UT.
Первичные обмотки шунтового трансформатора Т1 выполняются на напряжение класса 220 кВ. Соотношение числа витков первых четырех секций вторичной обмотки составляет 3 : 1, что позволяет с помощью управления мостами тиристорных ключей получить четыре сочетания поперечных составляющих выходных напряжений, которые могут соответствовать ступеням регулирования угла фазового сдвига в 5 или 10 о эл. Поскольку для угла фазового сдвига, равного 5 и 10 о эл., не требуется продольная составляющая напряжения, то соотношение числа витков пятой и шестой секций вторичной обмотки принято равным 2 : 1, что позволяет получить три сочетания продольной составляющей и, соответственно, углы фазового сдвига в 10, 15 и 20 о эл. или 20, 30 и 40 о эл.
Выходные выводы мостовых схем тиристорных ключей коммутатора UT всех секций вторичной обмотки фазы трансформатора Т1 соединены определенным образом и подключены к первичной (вентильной) обмотке соответствующей фазы сериесного трансформатора Т2. Для получения необходимых значений вольтoдобавочного напряжения при формировании углов сдвига фаз в 5, 10,15 и 20 эл. град. или 10, 20, 30 и 40 эл. град. мосты тиристорных ключей должны быть соединены определенным образом. При этом напряжение первичной обмотки фазы В сериесного трансформатора Т2 формируется последовательным соединением мостов тиристорных ключей МТК1-С и МТК2-С фазы С, МТК3-А и МТК4-А фазы А и МТК5-В и МТК6-В фазы В. Аналогично формируются напряжения первичных обмоток фаз А и С сериесного трансформатора Т2. Так напряжение первичной обмотки фазы А формируется последовательным соединением мостов тиристорных ключей МТК1-В и МТК2-В фазы В, МТК3-С и МТК4-С фазы С и МТК5-А и МТК6-А фазы А. Напряжение первичной обмотки фазы С сериесного трансформатора Т2 формируется последовательным соединением мостов тиристорных ключей МТК1-А, МТК2-А фазы А, МТК3-В, МТК4-В фазы В и МТК5-С и МТК6-С фазы С.
При выборе коэффициента трансформации сериесного трансформатора Т2 следует учитывать следующие условия. Во – первых, при выбранном коэффициенте трансформации для номинального тока нагрузки линий не потребуется параллельное соединение тиристоров в ключах коммутатора.
Во-вторых, при вольтoдобавочном напряжении, которое должно обеспечиваться ФПУ при максимальном угле фазового сдвига, уровни напряжений мостов тиристорных ключей схемы коммутатора получаются такими, для которых на предполагаемом предприятии – изготовителе уже освоено производство тиристорных коммутаторов.
