Введение к работе
Актуальность темы исследования. Снижение энергопотребления в сельских регионах Кыргызской Республики (КР) и рост энергопотребления в крупных городах вследствие перераспределения мест производства и потребления продукции после распада СССР вызвали острый дефицит мощности на севере страны. Указанные причины привели к реконструкции энергетического сектора КР: вводу новых электростанций (ЭС) преимущественно на юге и строительству новых подстанций (ПС) на севере страны.
Рост единичных мощностей генераторов на ЭС, увеличение мощности ПС, изменение структуры электрических сетей различного номинального напряжения и как следствие рост токов коротких замыканий (КЗ), приводят к необходимости согласования или координации параметров выключателей, силовых трансформаторов (автотрансформаторов) с текущими и ожидаемыми в перспективе уровнями токов КЗ. Данная проблема имеет системный характер, предполагающий учет не только требований к параметрам выключателей, но и учет изменения уровней напряжений и потерь электроэнергии в электроэнергетической системе (ЭЭС), перспектив изменения уровня ожидаемых значений токов КЗ.
В энергокомпаниях России и Кыргызстана для расчета токов КЗ используют компьютерные программы АРМ СРЗА и ТКЗ–3000, не обеспечивающие требуемую точность расчетов. Эти программы используются для выполнения расчетов токов КЗ, соответствующим двум сезонным состояниям, максимальному и минимальному режимам нагрузок, и не позволяют более точно и быстро отслеживать изменения коммутационного состояния ЭЭС. Принципиальное отличие АРМ СРЗА и ТКЗ-3000 от более современных компьютерных программ заключается в том, что при выполнении расчетов используется не расчетная схема ЭЭС, а схема замещения, которая готовится с участием расчетчиков. То есть расчетчику необходимо предварительно сформировать схему замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей, задать параметры всех ее элементов, ввести данные в математическую модель, и только затем выполнять расчеты токов КЗ. Соответственно при такой последовательности действий, расчеты сложных и громоздких схем ЭЭС с числом элементов, исчисляемыми сотнями и тысячами единиц, являются весьма трудоемкими и увеличивают вероятность совершения ошибок. В этой связи актуальной является проблема уточненных расчетов токов КЗ, разработка расчетной модели КЗ для условий ЭЭС КР с использованием современных компьютерных программ, которые позволяют автоматизировать расчеты и избавиться от вышеописанных недостатков.
Необходимость исследования влияния апериодической составляющей тока КЗ на отключающую способность выключателя обусловлена использованием быстродействующих элегазовых и вакуумных выключателей. Использование элегазовых выключателей (ЭВ) и увеличение единичных
мощностей генераторов ЭС привели к обострению проблемы обеспечения соответствия отключающей способности ЭВ по содержанию апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ. ЭВ могут не справиться не только с отключением токов аварийных режимов с повышенным содержанием апериодической составляющей, но и отключением токов нормальных режимов. Так в последние годы в электрических сетях России и Казахстана (ОАО «ФСК ЕЭС» и АО «KEGOC») зафиксирован ряд серьёзных аварийных разрушений ЭВ на ПС 500-750 кВ при инициализации отключения этих ЭВ.
Степень разработанности. В настоящее время исследования проблем координации уровней токов КЗ интенсивно проводятся как в России (Московский Энергетический Институт – НИУ «МЭИ», АО «НТЦ» {г. Санкт-Петербург}, Санкт-Петербургский политехнический университет – НИУ «СППУ» и др.), так и за рубежом (США, Великобритания, Германия, Япония и др.). Следует отметить работы советских и российских авторов (И. А. Сыромятников, В. В. Ершевич, Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков, В. В. Жуков, А. В. Шунтов, Г. А. Евдокунин, К. П. Кадомская, В. И. Нагай, В. А. Савельев, Д. Р. Любарский и др.), а также зарубежных авторов (W. Kalkner, R. L. Sullivan, A. M. Cassie и др.).
В настоящее время расчеты токов КЗ в действующей ЭЭС КР ведутся в службе Релейной Защиты (РЗ) сетевой компании, однако проблемам уточненных расчетов, координации и согласования параметров установленных выключателей с текущими и ожидаемыми в среднесрочной перспективе уровнями токов КЗ уделяется недостаточное внимание.
Объектом исследования является ЭЭС Кыргызстана, представленная 18 ЭС с установленной мощностью 3785 МВт, 194 ПС 110-500 кВ, воздушными линями (ВЛ) 110-500 кВ протяженностью 7492 км.
Предметом исследования являются способы координации уровней токов КЗ, обеспечивающие соответствие отключающей способности выключателей по периодической и апериодической составляющим тока КЗ.
Цель работы заключается в оценке соответствия отключающей способности выключателей ЭЭС Кыргызстана токам КЗ и проверке достаточности малозатратных способов координации уровней токов КЗ, основанных на стационарном делении сети и средстве воздействия на апериодическую составляющую в отключаемом токе КЗ.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка и верификация расчетной модели КЗ действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу (10 лет).
Сравнительный расчет и анализ уровней токов КЗ и отключающей способности выключателей напряжением 110-500 кВ, а также
электродинамической стойкости трансформаторов в действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу.
Определение достаточности стационарного деления в сети напряжением 110-220 кВ для ограничения токов КЗ в действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу для решения вопросов модернизации и планирования развития ЭЭС.
Разработка математической модели процесса отключения КЗ на воздушной линии 500 кВ для определения средства воздействия на апериодическую составляющую тока КЗ, обеспечивающего соответствие отключающей способности выключателей.
Методология и методы исследования. Решение поставленных задач проводилось с помощью метода математического анализа, численного решения дифференциальных уравнений, математического моделирования на основе теории электрических цепей, исследования процессов отключения в специализированном программном обеспечении (ПО) EMTP-RV для расчета электромагнитных переходных процессов. В частности, для оценки действующих значений токов КЗ использовался метод математического моделирования электрических цепей энергосистем в современном программном комплексе, сформированном на основе систем узловых и линейных уравнений с комплексными коэффициентами трансформаторов и автотрансформаторов.
Научная новизна работы заключается в решении научно-технической проблемы по координации уровней токов КЗ, а именно:
-
Впервые разработана расчетная модель КЗ электрических сетей 110-500 кВ действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу (10 лет) с использованием современного математического программного комплекса, позволяющая повысить надежность и достоверность результатов расчетов токов КЗ за счет учета РПН трансформаторов, определяемого параметрами установившегося режима, за счет учета параметров предшествующего режима генераторов и за счет учета влияния параметров нагрузок сети на процесс короткого замыкания.
-
Обоснована возможность использования стационарного деления в сети напряжением 110-220 кВ как способа координации уровней токов КЗ в действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу.
-
Разработана математическая модель процесса отключения КЗ на воздушной линии 500 кВ, использующая модель электрической дуги и позволяющая исследовать влияние апериодической составляющей тока КЗ на отключающую способность элегазового выключателя.
-
Выявлены условия неуспешного отключения элегазовым выключателем КЗ на воздушной линии 500 кВ вследствие значительного содержания апериодической составляющей. Обоснована возможность обеспечения успешного отключения тока КЗ на ВЛ 500 кВ с повышенным
содержанием апериодической составляющей путем увеличения бестоковой паузы АПВ выключателя.
Достоверность полученных результатов исследования подтверждена:
достаточной степенью сходимости результатов расчетов токов КЗ, полученных с помощью разработанной расчетной модели КЗ ЭЭС КР, созданной на базе современного программного комплекса, со значениями токов КЗ, предоставленными сетевой компанией, которые получены по данным измерений регистраторов аварийных событий;
корректным использованием теории электромагнитных переходных процессов;
удовлетворительным совпадением результатов верифицированных расчетов, полученных при использовании метода математического моделирования электрических цепей ЭЭС в специализированном ПО EMTP-RV, с результатами расчетов, полученных аналитическим путем, и экспериментальными данными, полученными от сетевой компании.
Теоретическая значимость работы.
В расчетной модели КЗ РПН трансформаторов и параметры схемы замещения генераторов задаются на основе расчета установившегося режима ЭЭС, обеспечивающего соответствие уровня напряжений требованиям ГОСТ Р 54149-2010 и МЭК 61000-2-8:2002 и минимум потерь электроэнергии.
При расчете начальных значений периодической составляющей тока КЗ учтены нагрузки в узлах сети среднего номинального напряжения для действующей ЭЭС КР и на среднесрочную перспективу (10 лет).
При оценке электродинамической стойкости трансформаторов в ЭЭС КР учтены нагрузки вторичных обмоток.
В математической модели процесса отключения КЗ на ВЛ 500 кВ влияние апериодической составляющей тока КЗ на отключающую способность ЭВ учитывалось с помощью модели электрической дуги.
Практическая значимость работы заключается в предоставлении сетевой компании информации о несоответствии отключающей способности выключателей и электродинамической стойкости трансформаторов текущим и ожидаемым в среднесрочной перспективе значениям токов КЗ, а также в разработке рекомендаций сетевой компании по новым условиям эксплуатации выключателей для решения вопросов модернизации и планирования развития ЭЭС КР.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Расчетная модель КЗ действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу (10 лет), позволяющая повысить надежность и достоверность результатов расчетов токов КЗ за счет учета РПН трансформаторов, определяемого параметрами установившегося режима, за
счет учета параметров предшествующего режима генераторов и за счет учета влияния параметров нагрузок сети на короткие замыкания.
-
Результаты сопоставления значений токов КЗ с параметрами установленных выключателей 110-500 кВ, а также соответствия отключающей способности этих выключателей и электродинамической стойкости трансформаторов в ЭЭС КР.
-
Результаты обоснования возможности использования стационарного деления в сети напряжением 110-220 кВ как способа координации уровней токов КЗ в действующей ЭЭС КР и на среднесрочную перспективу.
-
Математическая модель процесса отключения КЗ на воздушной линии 500 кВ, использующая модель электрической дуги и позволяющая исследовать влияние апериодической составляющей тока КЗ на отключающую способность элегазового выключателя.
-
Результаты оценки возможной задержки прохождения полного тока КЗ через нулевое значение в процессе отключения элегазового выключателя ВЛ 500 кВ вследствие значительного содержания апериодической составляющей.
-
Рекомендации для обеспечения успешного отключения тока КЗ на воздушной линии 500 кВ с повышенным содержанием апериодической составляющей путем увеличения бестоковой паузы АПВ выключателя.
Личный вклад. Разработана оригинальная расчетная модель КЗ действующей ЭЭС КР и на среднесрочную перспективу с использованием современного математического программного комплекса, позволяющая повысить надежность и достоверность результатов расчетов токов КЗ за счет учета влияния регулирования напряжения под нагрузкой на параметры трансформаторов, за счет учета параметров предшествующего режима генераторов и за счет учета параметров нагрузок [1, 2]. С помощью расчётной модели выполнена оценка уровней токов КЗ и разработан способ координации уровней токов КЗ [1].
Разработана оригинальная математическая многочастотная модель процесса отключения КЗ на ВЛ 500 кВ, реализованная в мгновенных значениях и использующая модель электрической дуги. С помощью разработанной математической модели проведены исследования переходных процессов при отключении КЗ [3, 4]. Выявлены и проанализированы условия неуспешного отключения элегазовым выключателем КЗ на ВЛ 500 кВ вследствие значительного содержания апериодической составляющей. Обоснована возможность обеспечения успешного отключения тока КЗ на ВЛ 500 кВ [4]. Проведено уточнение областей применения методов расчета переходных восстанавливающихся напряжений на контактах выключателя при отключении КЗ [3].
Апробация результатов работы. Основные результаты выполненной работы и работа в целом обсуждалась на кафедре «Электрические станции»
НИУ «МЭИ», на XII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2017» (Иваново, 2017 г.).
Публикации по теме работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в журналах «Вестник КРСУ» (2017 г.), «Вестник МЭИ» (2017 г.), «Известия КГТУ им. И. Раззакова» (2017 г.), «Вестник ИГЭУ» (2017 г.). Количество публикаций составляет 4 печатных работы, из них 2 в изданиях по списку ВАК [3, 4].
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 5 приложений, списка сокращений и условных обозначений, терминов и списка используемой литературы, содержащего 109 наименований. Основной текст изложен на 130 страницах, включает 63 рисунков и 28 таблиц. Общий объём диссертации 179 страниц.