Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные крупные электроэнергетические объединения представляют собой совокупность энергосистем, объединенных дальними линиями электропередач, соединяющими отдельные мощные узлы генерации и потребления электроэнергии (энергоузлы). Одним из требований, предъявляемых к мощным энергоузлам, является надежность эксплуатации установленной аппаратуры, способность сохранять ее работоспособность ігри воздействии перенапряжений и сверхтоков.
Условия работы высоковольтных выключателей (ВВ) в режиме отключе-шія токов короткого замыкания (КЗ) для конкретного распределительного устройства во многом определяют его надежность, конструктивные и стоимостные показатели а, в конечном счете, и возможную компоновку распредустройства. В то же время определение как воздействующих, так и нормируемых параметров ВВ ведется не всегда обосновано и с большой долей допущений. Это связано, в первую очередь, с загрублением расчетных схем при расчетах токов КЗ, в которых не учитывается переходный процесс в генераторах, влияние нагрузки, демпфирование переходного процесса за счет потерь. Однако принципиальную несогласованность реального и оцениваемого потока воздействий вносит неучет статистического характера отключаемых аварийных токов, что не позволяет установить уровень воздействий с заданной вероятностью.
В этих условиях решение проблемы, которая названа проблемой координации воздействующих токов и параметров установленных аппаратов, возможно только на основе подхода, учитывающего при анализе воздействий большее количество определяющих факторов и их вероятностный характер.
В общей ностаноцке сформулированная проблема включает в себя следующие этапы:
-изучение феноменологических физігческих процессов, протекающих при отключении высоковольтными выключателями токов короткого замыкания и формирование комплекса параметров, определяющих надежность коммутации;
-определение колігчественньїх показателей параметров, характеризующих процессы отключения токов КЗ;
-получение статистических характеристик основных показателей;
-определение надежности работы выключателей и оценка эффективности мероприятий по повышению надежности отключения токов КЗ;
На основании рассмотрения этих вопросов в диссертационной работе решается научно-техническая проблема разработки теоретических основ и практических методов исследования воздействующих переходных токов короткого замыкания и восстанавливающихся напряжений (ПВН) и определения отключающей способности высоковольтных выключателей на основе вероятностного подхода к проблеме оценки надежности работы энергоузла в режиме короткого замыкания.
Результаты, полученные в работе, стали возможными благодаря актив
ной научной деятельности по указанной проблеме ряда отечественных и зару
бежных исследователей. Развитие теории электромагнитных переходных про
цессов и надежности работы электроаппаратов неразрывно связано с именами
М.М.Акодиса, А.И.Важнова, А.А.Горева, Ю.Б.Гука, Г.А.Дорфа,
Г.А.Евдокушша, К.П.Кадомской, Е.Я.Казовского, В.Г.Китушина,
М.В.Костенко, Г.А.Кукекова, М.Л.Левшшітейна, Б.Н.Неклепаева, В.А. Непом
нящего, Л.М.Пиотровского, М.Н.Розанова, Ю.Н.Руденко, Г.А.Славина,
Ф.И.Снпчугова, И.С.Тасва, Ю.А.Фокина, Г.М.Хуторецкого и многих других
ученых-энергетиков.
Цель и задачи работы. Целью работы является определение основных закономерностей взаимодействия ВВ с отключаемой электрической сетью, разработка на их основе математических моделей и комплекса программ для расчета отключаемых токов КЗ и ПВН, сопоставление уровней нормируемых и воздействующих параметров с учетом их вероятностного характера и создание методики оптимальной комплектации схем распределительных устройств с заданным уровнем надежности отключения токов КЗ.
Для решения поставленной проблемы потребовалось:
разработать математические модели элементов энергоузла, позволяющие определить характеристики сверхтоков и перенапряжений с учетом переходного процесса в синхронных генераторах и короткозамкнутом участке линии;
обосновать необходимость отображения высокочастотного переходного процесса в кривой тока КЗ и учета частотной зависимости параметров расчетной схемы при определении воздействующих токов;
сформировать требования к характеристикам надежности работы аппаратов, в частности высоковольтного выключателя, в виде зон сочетаний U-I, отвечающих заданной вероятности отказа;
определить указанные характеристики для типовых конструкций аппаратов энергоузлов;
разработать методику определения статистических характеристик воздействующих токов и напряжений;
определить показатели надежности типовых энергорлов при различных алгоритмах их аппаратной комплектации;
разработать методику оптимальной стратегии комплектации и замены аппаратов и применения токоограничившощих мероприятий с целью достижения нормируемого уровня надежности.
Методика исследований. Основные исследования проводились путем математического моделирования электромагнитных переходных процессов с
использованием теории электрических машин, волновых каналов, теории дуги, аппарата вычислительной математики.
Методика определения статистических характеристик токов короткого замыкания, областей негашения и показателей надежности высоковольтных выключателей основана на положениях теории вероятности и математической статистики.
Достоверность проведенных расчетов основана на том, что параметры схем и их элементов получены по экспериментальным данным, используемым в качестве опорных точек при идентификации параметров расчетных математических моделей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована необходимость определения надежности работы аппаратов и энергоузла в целом с учетом вероятностного характера воздействующих сверхтоков и сопровождающих перенапряжений;
разработана методика математического моделирования оборудования эиергоузла, позволяющая определить параметры переходного тока КЗ и сопровождающего перенапряжения при наиболее полном моделировании расчетной схемы с учетом процессов в короткозамкнутой линии, насыщения генераторов и частотной зависимости параметров;
определены параметры переходного тока КЗ, характеризуемого амплитудой и скоростью подхода к нулевому значению;
создана методика определения характеристик комплексных воздействий на аппараты энергоузла в виде распределений плотностей вероятностей U-I;
результаты исследований подтверждают необходимость вероятностного подхода при формировании аппаратной комплектации энергоузла и оценке надежности его работы при воздействии сверхтоков;
Практическая ценность. Разработанная методика оценки надежности работы аппаратов эиергоузла при воздействии сверхтоков и сопровождающих перенапряжений обеспечивает выбор оптимальных вариантов замены и модернизации высоковольтных выключателей, обоснование необходимости применения мер и способов ограничения токов КЗ. Предложенная методика используется при уточненной оценке ожидаемой аварийности выключателей энергосистем Сибири в рамках СП «Сибирьэнерго». Алгоритмы и программа расчета электромагнитных переходных процессов использованы в ВГПИ и НИИ "Энергосетьпроект", объединении "Энергосетьсервис", ВНИИЭ, Казахэнерго-сетьпроект для расчета переходных процессов в различных энергосистемах при исследовании коммутаций в электропередаче 1150кВ, расчете токов КЗ в сети 500кВ ОЭС Казахстана, определении токов и напряжений при коммутации ВЛ 750кВ Московской энергосистемы, оптимизации работы выключателей
220 кВ Вратской ГЭС, определении надежности работы выключателей ОЭС Сибири.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
-
Всесоюзном научно-техническое совещании "Вопросы устойчивости и надежности энергосистем СССР". Алма-Ата, 1979.
-
III Республиканской научно-техническая конференции "Современные проблемы энергетики", Киев, 1980.
-
Совещании "Применение в электроэнергетике мощных бетэловых резисторов и резисторных установок", Новосибирск, 1981.
4.Всесоюзном семинаре "Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения", Каунас, 1985.
-
Симпозиуме СИГРЭ, Брюссель, 1985.
-
Международном симпозиуме "Качество электроснабжения мощных энергосистем", Гливице,1986.
7. Международном симпозиуме по математическому моделированию,
Москва, 1987.
-
Всесоюзном совещании "Повышение надежности и технического уровня высоковольтных коммутационных аппаратов", 1988, Москва.
-
Всероссийской научной конференции: Токи короткого замыкания в энергосистемах. Москва, 1995.
10. Международном совещании "Современные методы математического
моделирования природных и ангропогенных катастроф" Красноярск, 1997.
Диссертация в целом обсуждалась на заседаниях кафедр факультета энергетики НГТУ.
Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
-
Определение надежности работы выключателей энергоузла в режиме короткого замыкания необходимо производить по величине ожидаемой вероятности отказа с использованием интегральной оценки устойчивости аппаратов к токам короткого замыкания и сопровождающим перенапряжениям.
-
Модель выключателя может быть представлена в виде вероятностного пространства в координатах U-t, которое характеризует вероятность отказа выключателя при отключении тока I с параметрами nBH(U,t).
-
Расчет токов КЗ и ПВН должен производится с учетом переходного процесса в генераторах, частотной зависимости параметров расчетной схемы, влияния нагрузки и демпфирования переходного процесса за счет потерь в стали.
-
В условиях определяющего характера теплового пробоя отключающая способность газовых выключателей должна оцениваться с учетом искажсішя
кривой отключаемого тока по величине скорости его подхода к нулевому значению.
5. Эффективность применения токоограничивающих мероприятий должна оцениваться по интегральной характеристике вероятности отказа, позволяющей отображать комплексное влияние используемых мер токоогратгчения на параметры отключаемых токов и ПВН.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 215 наименований. Общий объем работы составляет 343 страниц, включая 90 рисунков и 121 таблиц.
