Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, доктор технических наук Львов, Юрий Николаевич

• Львов, Юрий Николаевич
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Львов, Юрий Николаевич

Введение

Глава 1. Постановка задач

1.1. Общие положения

1.2. Параметры, определяющие электродинамическую и 22 термическую стойкости автотрансформатора

1.3. Соотношение существующих уровней'сопротивлений 33 короткого замыкания автотрансформаторов и внешних сопротивлений сети энергосистем и их взаимосвязь с токами короткого замыкания

1.4. Математическое моделирование переходных электромагнитных процессов в системах с автотрансформаторами

Глава 2. Методы расчета вероятностных характеристик токов 45 короткого замыкания в цепях автотрансформаторов

2.1. Статистический анализ кратностей токов короткого 45 замыкания в цепях автотрансформаторов 220-750 кВ

2.2. Расчет вероятностей наибольших мгновенных значений 67 тока короткого замыкания

2.3. Число коротких замыканий различной кратности тока в 121 цепях автотрансформаторов 220-750 кВ за срок их службы

Глава 3. Оценка вероятности допустимых значений сквозных 162 токов короткого замыкания для совокупности автотрансформаторов за срок их службы в сетях 220-750 кВ с использованием усовершенствованного волнового метода расчета переходных электромагнитных процессов

3.1. Усовершенствование волнового метода расчета переходных 162 электромагнитных процессов в электрических системах

3.2. Учет автотрансформаторов при расчете переходных токов 175 короткого замыкания волновым методом в электрических системах с распределенными параметрами

3.3. Расчет вероятности допустимых значений сквозных токов 199 короткого замыкания для совокупности автотрансформаторов за срок службы в сетях 220-750 кВ

Глава 4. Анализ путей снижения токов короткого замыкания 226 в автотрансформаторах

4.1. Влияние параметров сети на кратности токов короткого 226 замыкания в цепях автотрансформаторов

4.2. Влияние изменения сопротивления короткого замыкания 240 автотрансформатора на технико-экономические показатели работы электрической сети в нормальном режиме

4.3. Снижение числа опасных воздействий токов короткого 253 замыкания на обмотки автотрансформаторов 220-500 кВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений»

Одной из проблем, связанных с развитием отечественной электроэнергетики, является рост токов короткого замыкания [1*4]. Актуальность работы определяется необходимостью обеспечить как в настоящее время, так и в перспективе высокую надежность работы силового электрооборудования, одной из существенных причин снижения которой является рост токов короткого замыкания в развивающихся сетях. Эти токи уже в настоящее время достигают таких уровней, при которых создание оборудования высокого напряжения связано со значительными техническими трудностями и требует больших материальных затрат.

Анализ опыта эксплуатации трансформаторного оборудования показывает относительно высокую уязвимость автотрансформаторов большой мощности, составляющих основную часть силового трансформаторного оборудования ЕЭС России, энергообъединений и энергосистем, к воздействию токов короткого замыкания. Так число автотрансформаторов в сетях 220 кВ и выше примерно в 4 раза больше числа повышающих трансформаторов. Условия их работы тяжелее, так как, в отличие от трансформаторов, автотрансформаторы имеют более низкие сопротивления короткого замыкания и присоединения не только со стороны высшего и низшего, но и среднего напряжений. Это определило выбор автотрансформатора в качестве основного объекта исследованйя в данной работе.

Рост токов короткого замыкания в развивающихся сетях энергосистем вызывает необходимость систематического пересмотра нормируемых показателей, определяющих требуемую стойкость автотрансформаторов к воздействию сквозных токов короткого замыкания. В отечественной практике такими показателями являются: наибольшая допустимая кратность периодической составляющей тока основной частоты, наибольший допустимый ударный ток короткого замыкания, число контрольных испытаний с токами предельных кратностей, продолжительность короткого замыкания на выводах автотрансформатора. Эти показатели нормируются в стандартах или технических условиях для конкретных групп или типов автотрансформаторов. Уточнение таких показателей требует применения системного подхода для анализа режимов работы автотрансформаторов при коротких замыканиях с учетом динамики роста уровней токов короткого замыкания на различных этапах развития сетей при их планировании на период 25 - 30 лет, равный примерно сроку службы автотрансформатора.

Проблеме токов короткого замыкания, методам их определения и анализа в электрических сетях, а также вопросам нормирования допустимых сквозных токов короткого замыкания трансформаторов электросистем в литературе уделялось значительное внимание [1*33]. Согласно проведенному рассмотрению литературных источников по отдельным вопросам этой проблемы [13] наиболее существенный вклад внесен МЭИ, ВНИИЭ, Энергосетьпроект, ЛПИ и рядом других организаций.

Мало исследованными в системе методов и моделей расчета токов короткого замыкания как в отечественной электроэнергетике, так и за рубежом остаются проблемы, связанные"с изучением вероятностных характеристик токов короткого замыкания. Вопрос о целесообразности определения расчетных значений токов короткого замыкания при выборе аппаратуры и сборных шин по электродинамической и термической стойкости с учетом вероятности тяжелых коротких замыканий впервые был сформулирован И. А. Сыромятниковым [12]. Однако вероятность возникновения тяжелых условий при коротких замыканиях должным образом не определялась. В предшествующих работах вероятностный подход к проблеме освещен в сравнительно слабой степени. Между тем, недостаточный учет вероятностных факторов может приводить к экономически неоправданным запасам ресурса вновь проектируемого оборудования. Поэтому возникает необходимость правильной оценки и учета вероятностных характеристик токов короткого замыкания, отражающих реальные режимы работы оборудования при определении расчетных условий для выбора аппаратов и проводников.

В [8*9] статистический подход для выбора конструктивных параметров электроустановок рассматривается как рациональный, однако указывается, что как в настоящее время так и в дальнейшем при формировании требований к электрооборудованию будут использованы детерминированные методы, ориентирующие его выбор по расчетным условиям, которые исходят из наиболее тяжелых режимов работы при коротких замыканиях. В значительной степени это определяется тем, что одна из важнейших тенденций развития мирового трансформаторостроения состоит в повышении надежности работы трансформаторов.

В настоящее время в отечественной практике расчетными условиями для выбора элемента электроустановки являются наиболее тяжелые, но достаточно вероятные режимы короткого замыкания. Из этого положения, сформулированного Б. Н.Неклепаевым в [10] и затем введенного в ГОСТ [И], следует, что при оценке условий работы электроустановки в режиме короткого замыкания необходимо использовать как детерминированные, так и вероятностные методы расчета. В данной работе выполнены разработки по совершенствованию методов и математических моделей вероятностных и детерминированных расчетов токов короткого замыкания. Это было необходимо для исследования условий работы автотрансформаторов в мощных энергообъединениях при коротких замыканиях. Разработка научно-методологических основ вероятностного анализа уровней сквозных токов короткого замыкания автотрасформаторов, определение тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений составляют основное содержание работы.

На основе установленных закономерностей формирования сквозных токов КЗ можно определить требования энергосистем к характеристикам вновь разрабатываемых автотрансформаторов и дать рекомендации по дальнейшей технической политике в области нормирования показателей автотрансформаторов, характеризующих их стойкость по отношению к воздействию токов КЗ.

Основное колическтво трансформаторного оборудования энергосистем России введено в эксплуатацию в 70-е годы и начале 80-х годов. Наиболее часто повреждаются трансформаторы, разработанные до 1970 г. из-за их недостаточной электродинамической стойкости по отношению к возросшим уровням токов КЗ. Проанализировать пути их уменьшения и разработать на этой основе рекомендации по технической политике в области ограничения этих токов необходимо в первую очередь при решении комплексной проблемы электродинамической стойкости обмоток длительно работающих трансформаторов.

Проблема обеспечения электродинамической стойкости обмоток мощных трансформаторов и автотрансформаторов непосредственно связана с соотношением существующих уровней их сопротивлений короткого замыкания и внешних по отношению к ним сопротивлений сети энергосистем. Последние определяют уровни мощностей короткого замыкания в точках присоединения трансформаторов и автотрансформаторов.

В отечественной практике в последние годы разработчики и заводы-изготовители трансформаторов стремятся . повысить сопротивления короткого замыкания автотрансформаторов, в первую очередь для снижения уровней токов короткого замыкания и . электродинамических усилий в обмотках, а также их массогабаритных показателей.

В данной работе исследованы закономерности влияния изменения токов короткого замыкания автотрансформаторов на уровни токов короткого замыкания, потери мощности, 'уровни напряжений и технико-экономические показатели работы электрической сети в нормальном режиме работы.

Усилиями ряда авторов, а именно С.А. Ульянова, С.Б. Лосева, A.B. Чернина, Р.И. Караева, А.И. Долгинова и других созданы эффективные детерминированные методы расчета переходных электромагнитных процессов, с помощью которых можно определять токи и напряжения в сетях любой сложности и конфигурации при всех видах коммутаций в сети [14*16]. В данной работе получил дальнейшее развитие волновой метод расчета переходных электромагнитных процессов [18,21]. Связано это с тем, что исследуемые системы относятся, в основном, к категории линий электропередач с распределенными параметрами, в которых электромагнитные переходные процессы определяются в значительной степени волновыми процессами в линиях электропередачи, характеризующимися скачкообразными изменениями тока и напряжения. Однако в волновом методе в настоящее время отсутствует учет автотрансформатора как элемента системы.

Данная работа посвящена исследованию закономерностей изменения токов короткого замыкания автотрансформаторов энергосистем, что является составной частью проблемы повышения надежности и живучести ЕЭС России.

Цель работы - разработка методических основ и проведение анализа вероятностных характеристик возможных уровней сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и динамики их изменения в крупных энергообъединениях. Разработать на этой основе рекомендации по технической политике в областях ограничения этих токов и нормирования требований по стойкости по отношению к ним трансформатороного оборудования.

Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии энергосистем связано с необходимостью решения таких задач, как разработка методик прогнозирования:

- максимальных допустимых значений кратностей токов короткого замыкания в обмотках автотрансформаторов энергосистем;

- среднего и максимального допустимого числа коротких замыканий различных кратностей тока короткого замыкания за срок службы автотрансформатора, а также для совокупности автотрансформаторов, установленных в сетях 220-750 кВ;

- появления наибольших допустимых мгновенных значений тока короткого замыкания в обмотках автотрансформаторов;

Кроме того, необходимо:

- уточнить аналитические и экспериментальные методы расчета переходных токов короткого замыкания в сетях с автотрансформаторами, использование для расчета экспериментальных и аналитических зависимостей параметров линий электропередачи, генераторов и трансформаторов от частоты протекающего тока как наиболее полно отражающих особенности расчета переходных электромагнитных процессов при коротких замыканиях;

- сопоставить расчетные и экспериментальные значения токов короткого замыкания, при этом для исключения погрешностей трансформаторов тока осциллографирование переходного процесса в опытах коротких замыканий проводится с помощью шунтов;

- провести анализ путей снижения опасных воздействий токов КЗ в автотрансформаторах изменением сопротивления короткого замыкания автотрансформатора, а также внешних мероприятий.

Тема диссертации соответствует задачам Координационного плана "Токи короткого замыкания в энергосистемах. Координация и ограничение" на период 1995-1999 годы.

Для анализа сквозных токов короткого замыкания используются вероятностные методы исследования, методы теории цепей в сочетании с инженерными расчетами применительно к автотрансформаторам, а также моделирование переходных электромагнитных процессов на ЭВМ, обеспечивающие системный подход к проблеме.

Достоверность результатов основана на адекватности моделей и исследуемых процессов, подтвержденных экспериментальными данными, применении в моделях опробованных методов инженерных расчетов, а также решении одной и той же задачи различными методами и сопоставлении полученных при этом результатов.

На защиту выносятся:

1. Результаты статистического анализа материалов о токах короткого замыкания в цепях автотрансформаторов 220—750 кВ энергосистем; тенденции и закономерности изменения этих токов при развитии крупных энергообъединений, из которых следует, что:

- частичные совокупности максимальных кратностей токов при коротких замыканиях на выводах автотрансформаторов для отдельных этапов развития сетей по годам принадлежат -одной и той же нормально распределенной общей совокупности; в области высоких значений максимальных кратностей токов короткого замыкания закон распределения отклоняется от нормального;

- при имеющих место тенденциях развития сетей мощных энергосистем напряжением 220-750 кВ России и Украины нет оснований ожидать в обозримые сроки существенного роста расчетных значений кратностей токов короткого замыкания; их значения остаются в пределах, допустимых по ГОСТ 11677-85.

2. Разработка на основе теории случайных функций методики для определения вероятностей наибольших значений токов короткого замыкания вэнергосистемах с автотрансформаторами. Оценены вероятности порядка 30-40% возникновения токов 0,95 от максимально возможных.

3. Повышение точности расчетов переходных токов короткого замыкания на основе экспериментально определенных частотных характеристик сопротивлений короткого замыкания автотрансформаторов, генераторов и линий.

4. Методика и результаты анализа числа коротких замыканий с заданными кратностями токов в цепях автотрансформаторов 220-250 кВ. Установление того, что расчетным случаем для определения таких токов является этап полного развития сети высшего напряжения. Определение на этой основе средних (ту и предельных (ав) чисел токов короткого замыкания различной кратности (к ) в

3А автотрансформаторах 220-750 кВ за 25-летний срок службы. В частности при к =1,0; 0,8; 0,6 соответственно N =3; 12; 45 и ав=8; 20; 58.

5. Новый подход к волновому методу расчета переходных электромагнитных процессов, заключающийся в записи уравнений узлов в виде уравнений в конечных разностях. Анализ погрешностей расчетов традиционным волновым методом, базирующемся на замещении реактивных элементов фиктивными линиями. Учет автотрансформаторов и зависимости параметров линий от частоты при расчетах переходных токов короткого замыкания в электрических системах волновым методом.

6. Оценка достоверности расчетов переходных электромагнитных процессов волновым методом на основе сопоставления расчетных значений переходных токов короткого замыкания с их экспериментальными значениями, записанными с высокой точностью и использованием шунтов.

7. Результаты анализа данных об удельных числах коротких замыканий различных видов в электрических сетях, потоков отказов в работе линий электропередачи и шин подстанций, с учетом статистических закономерностей максимальных кратностей токов при коротких замыканиях и ожидаемых предельных их уровней, уточненных на основе волновых методов, показавшие, что:

- примерно 1,7% автотрансформаторов могут один раз в год подвергаться опасным воздействием токов короткого замыкания (0,8-1,0 от допустимых значений по ГОСТ);

- у всей совокупности автотрансформаторов 220-750 кВ (около 3000 единиц) толькл один раз за 75 лет может иметь место протекание токов, превышающих нормированные в ГОСТ;

- наибольшее число опасных воздействий токов короткого замыкания на обмотки автотрансформаторов наблюдается в сетях 220-500 кВ;

- подверждается установленное ЛПИ положение, согласно которому для общей обмотки и обмотки низшего напряжения наиболее тяжелым расчетным условием, наряду с режимами трехфазного короткого замыкания на выводах обмоток среднего и низшего напряжения, является также режим однофазного короткого замыкания на стороне среднего напряжения при работе автотрансформатора в трехобмоточном режиме.

8. Анализ возможных путей снижения токов в автотрансформаторах при коротких замыканиях в сетях энергосистем, показавших, что:

- как правило, по другим условиям работы энергосистем увеличение сопротивлений короткого замыкания автотрансформаторов нецелесообразно;

- одним из эффективных мероприятий по снижению опасных воздействий токов короткого замыкания на автотрансформаторы является выбор первоочередного включения выключателя при АПВ.

Научная новизна выносимых на защиту положений и результатов заключается в разработке на основе системного подхода более совершенных методов анализа закономерностей и тенденций изменения сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов в развивающихся сетях энергосистем с учетом вероятностных характеристик этих токов. Теоретические исследования образуют научную основу для анализа перспектив изменения токов короткого замыкания на различных этапах развития электрических сетей энергообъединений и их соответствия нормативным показателям.

Проведенные исследования позволяют существенно расширить представления о токах короткого замыкания автотрансформаторов в развивающихся электрических сетях, при этом весьма важной составной частью исследований является изучение вероятности появления допустимых сквозных токов короткого замыкания за расчетный промежуток времени, в частности, срок службы автотрансформатора. Ряд новых результатов получен при исследовании статистического материала о токах КЗ ав т о тран с ф ормат ор ов.

Выполнен учет автотрансформаторов при расчете переходных процессов в электрических системах с линиями с распределенными параметрами волновым методом. При исследовании условий работы автотрансформаторов при коротких замыканиях усовершенствованы волновой и спектральный методы расчета переходных токов короткого замыкания для повышения точности их определения. Исследования, выполненные в данной работе, отражены в 17 публикациях:

1. Исследование апериодических составляющих переходных токов трехфазных коротких замыканий (в соавторстве) // Электричество. 1978. N И. С. 83-85.

2. Кратности токов короткого замыкания в цепях автотрансформаторов 220-750 кВ за срок их службы //Электричество. 1981. N 1. С. 65-67.

3. Расчет вероятного числа коротких замыканий заданной кратности в цепях автотрансформаторов напряжением 220-750 кВ (в соавторстве) //Библиографический указатель ВИНИТИ "Депонированные рукописи". 1982. Вып. 5. С. 102.

4. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания силовых трансформаторов (в соавторстве) //Исследование режимов работы аппаратов высокого напряжения, трансформаторов и подстанций с делителями напряжения. Тр. ВНИИЭ. - М.: Энергоатомиздат. 1984. С. 3-6.

5. Волновой метод расчета переходных электромагнитных процессов при коротких замыканиях в электрических сетях сверхвысокого напряжения с учетом прилегающих сетей более низкого напряжения (в соавторстве). Там же. С. 7-10.

6. Усовершенствование волнового метода расчета переходных электромагнитных процессов в электрических системах (в соавторстве) // Электричество. 1984. N 7. С. 6-11.

7. Расчет вероятностей наибольших мгновенных значений токов короткого замыкания // Электричество. 1984. N 9. С. 52-55.

8. Количество коротких замыканий различной кратности тока в цепях автотрансформаторов 220-750 кВ за срок их службы // Электричество. 1986. N 2. С.19-24.

9. Исследование токов короткого замыкания в цепях автотрансформаторов 220-750 кВ (в соавторстве) // Электрические станции. 1987.No 2. С. 46-50.

10. Учет автотрансформаторов при расчете переходных токов короткого замыкания волновым методом (в соавторстве) // Электричество. 1989. N 2. С. 60-65.

11. Влияние изменения сопротивления КЗ автотрансформатора на технико-экономические показатели работы электрической сети (в соавторстве) // Электрические станции. 1990.1. С. 64-67.

12. Прогнозирование максимальных токов короткого замыкания и оптимальных значений сопротивлений короткого замыкания для автотрансформаторов 330 кВ и выше (в соавторстве) // Тезисы докл. VIII Всесоюзн. научно-техн. конференции по трансформаторостроению г. Запорожье, 12-14 сентября 1990 г.).

13. Снижение опасных ударных токов короткого замыкания через автотрансформаторы посредством корректировки АПВ (в соавторстве) // Электрические станции. 1990. N 9. С. 75-81.

14. Вероятности возникновения предельных значений токов короткого замыкания в автотрансформаторах напряжением 220-750 кВ (в соавторстве). Электричество. 1991. N 3. С. 17-22.

15. Разработка основ нормирования сквозных токов короткого замыкания в автотрансформаторах энергосистем. Токи короткого замыкания в энергосистемах // Тезисы докл. Всероссийской научной конференции 9-13 октября 1995 года. М., 1995. С. 163-165.

16. Повреждения сквозными токами КЗ как один из основных видов тяжелых аварий трансформаторов (в соавторстве). Там же. С. 133-135.

17. Система повышения надежности и живучести ЕЭС России (в соавторстве). Научное издание. М.: МЭИ. 1996. 111 с.

Из приведенных выше публикаций автора две статьи [2, 6] перепечатаны в зарубежных изданиях. Публикация [2] перепечатана в Pergamon Press, Oxford, New York, Paris, Frankfurt, Published July 31982.

О публикации статьи [6] имеется справка ВААП No 11-4/С от 20.10.87.

Основные положения диссертационной работы докладывались: на научно - технической конференции в Алма-Атинском энергетическом институте. - Алма-Ата, 1987; - на постоянно действующем научном семинаре "Электрическая часть электрических станций и подстанций". - М.: МЭИ, 1990; - на

VIII Всесоюзной научно-технической конференции по трансформаторостроению. - Запорожье, 1990; - на Всероссийской научной конференции "Токи короткого замыкания в энергосистемах". - М., 1995.

Результаты исследований автора внедрены:

1. В нормативные документы: - ГОСТ 26522-85. Короткие замыкания в электроустановках.

Термины и определения. - ГОСТ 27514-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением выше 1000 в.

2. В руководящие указания и противоаварийные циркуляры: -Руководящие указания по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110-220 кВ энергосистем. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1985.

- Противоаварийный циркуляр Ц-11—87(э) "О снижении числа опасных воздействий токов короткого замыкания на обмотки автотрансформаторов 330-500 кВ".

3. В практику проектирования и эксплуатации энергосистем РАО "ЕЭС России". о

- Отчет ВНИИЭ о научно-исследовательской работе "Разработка концепции координации уровней токов короткого замыкания на электростанциях и в сетях энергосистем" Шифр 10-040/95. М., 1996.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Львов, Юрий Николаевич

Основные результаты и выводы по работе:

1. На основании изучения динамики изменения токов короткого замыкания автотрансформаторов энергосистем, / а также учета вероятностных характеристик токов определены ожидаемые уровни кратностей токов короткого замыкания и их вероятное количество в обмотках автотрансформаторов за расчетный промежуток времени, в частности, за срок службы автотрансформатора. Учтены перспективы развития сетей энергосистем России и Украины на различных этапах их планирования. Результаты исследований нашли применение в серии государственных стандартов по токам короткого замыкания, руководящих указаниях, противоаварийном циркуляре, а также в концепции координации уровней токов короткого замыкания на электростанциях и в сетях энергосистем. На основании этих результатов сформулирована техническая политика по проблеме токов короткого замыкания в автотрансформаторах энергосистем, направленная на повышение надежности и экономичности их работы как на данный момент, так и на перспективу.

2. Результаты статистического анализа максимальных кратностей токов короткого замыкания в обмотках автотрансформаторов показали:

- частичные совокупности максимальных кратностей при коротких замыканиях на выводам автотрансформаторов для отдельных этапов развития сетей по годам принадлежат одной и той же нормально распределенной общей совокупности. В области высоких значений максимальных кратностей токов короткого замыкания закон распределения отклоняется от нормального;

- при имеющих место тенденциях развития сетей мощных энергосистем напряжением 220-750 кВ России, а также сопротивлений короткого замыкания автотрансформаторов нет оснований ожидать в обозримые сроки существенного роста расчетных значений кратностей токов короткого замыкания;

- условия работы автотрансформаторов при коротких замыканиях в развивающихся сетях оказываются обычно менее жесткими, чем для выключателей.

3. На основе теории случайных функций разработана методика расчета вероятностей наибольших мгновенных значений тока короткого замыкания в сетях энергосистем с автотрансформаторами. Определены наиболее тяжелые условия фазы возникновения короткого замыкания (примерно 4% всех коротких замыканий). Определена вероятность возникновения максимального полного мгновенного значения тока короткого замыкания, равного или большего 0,951Уд, которая составляет 30 - 40% при равномерном распределении фазы возникновения короткого замыкания.

4. Разработана методика и определено число коротких замыканий заданных кратностей токов короткого замыкания автотрансформаторов энергосистем на основе использования данных об удельной повреждаемости линий электропередачи и сборных шин распределительных устройств электростанций и подстанций, а также учета вероятностных характеристик токов короткого замыкания. Показано, что в качестве расчетного случая для определения наибольшего числа коротких замыкания различной кратности тока следует принимать такой этап планирования развития сети высшего напряжения, при котором формирование сети среднего напряжения в основном закончено.

5. Использован новый подход к волновому методу расчета переходных электромагнитных процессов, заключающийся в записи уравнений узлов в виде уравнений в конечных разностях. Выполнен учет автотрансформаторов при расчете переходных токов короткого замыкания в электрических системах волновым методом, а также учет зависимости параметров линий электропередачи от частоты протекающего тока с помощью !?с-цепочек.

Наряду с волновым методом выполнены расчеты переходных токов короткого замыкания спектральным методом на основе учета частотных характеристик линий, генераторов и трансформаторов.

Оценка достоверности расчетов проведена также путем сопоставления экспериментальных и расчетных значений переходных токов короткого замыкания, причем для исключения погрешности запись процесса в опытах коротких замыканий выполнена с помощью шунтов.

6. На основании исследования путей снижения числа опасных воздействий токов короткого замыкания на обмотки автотрансформаторов разработан противоаварийный циркуляр Ц-11-87(Э) "О снижении числа опасных воздействий токов короткого замыкания на обмотки автотрансформаторов". Снижение числа опасных воздействий достигается выбором очередности включения выключателей при АПВ линий электропередачи с конца, противоположного подстанции, на которой установлены автотрансформаторы, или даже запрещением АПВ. Эффективность мероприятий по снижению числа опасных воздействий токов короткого замыкания на обмотки автотрансформаторов составляет примерно 2 млн. руб/год (в ценах 1991 года).

7. Увеличение сопротивления короткого замыкания автотрансформаторов с целью снижения уровней токов короткого замыкания и электродинамических усилий в обмотках автотрансформаторов, как правило, нецелесообразно, так как ухудшает технико-экономические показатели работы электрической сети в нормальном режиме, в основном из-за увеличения потерь электрической энергии в сети и ухудшения условий регулирования напряжения. Эффективность мероприятий по выбору сопротивлений короткого замыкания и нормированию токов короткого замыкания автотрансформаторов составляет примерно 11 млн. руб/год (в ценах 1991 года).

8. На основании предложенных в работе методов дан анализ основных показателей, определяющих стойкость обмоток автотрансформаторов к токам короткого замыкания в соответствии с ГОСТ 11677-85 "Трансформаторы силовые (общие технические условия)" в сетях 220-750 кВ:

- примерно 1,7% автотрансформаторов один- раз в год может подвергаться опасным воздействиям тока короткого замыкания с кратностями 0,8-1 (в долях максимальной, определяемой стандартом);

- число коротких замыканий с токами, превышающими предельно допустимые нормируемые значения для автотрансформаторов, составляет примерно одно короткое замыкание в 75 лет для всей совокупности автотрансформаторов, установленных в странах СНГ (около 3 тыс. единиц);

- наибольшее количество опасных воздействий токов короткого замыкания имеется в обмотках автотрансформаторов, установленных в сетях напряжением 220-500 кВ. В сетях напряжением 750 кВ таких воздействий существенно меньше в силу пока что недостаточного развития этих сетей;

- опыт расчетов токов короткого замыкания на примере четырех наиболее мощных объединений энергосистем показывает, что в продолжительных режимах работы сети не наблюдается неблагоприятного соотношения параметров, при которых токи в обмотках при однофазном коротком замыкании превышают нормируемые значения при трехфазном коротком замыкании.

Заключение

В диссертационной работе выполнены исследования сквозных токов короткого замыкания и тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений, проанализированы возможные пути их уменьшения и даны рекомендации по дальнейшей технической политике в области нормирования показателей автотрансформаторов, характеризующих их стойкость по отношению к воздействию токов короткого замыкания. Внедрение результатов работы имеет большое народнохозяйственное значение, так как служит основой для формирования требований к промышленности и рекомендаций по эксплуатации автотрансформаторов на основе установленных закономерностей изменения сквозных токов короткого замыкания.

Для анализа сквозных токов короткого замыкания в автотрансформаторах синтезированы методы инженерных исследований, математического моделирования режимов и параметров короткого замыкания, исследований статистического материала о токах короткого замыкания автотрансформаторов энергосистем с учетом перспективы развития сетей. Усовершенствован волновой метод расчета переходных токов короткого замыкания с целью повышения точности их определения при исследовании условий работы автотрансформаторов при коротких замыканиях.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Львов, Юрий Николаевич, 1998 год

1. Неклепаев Б.Н. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. М.: Энергия. 1978. 151 С.

2. Ершевич В.В., Килер Г.Р., Кривушкин Л.Ф. Влияние уровней токов короткого замыкания на выбор оптимального развития электрических сетей // Электрические станции. 1972. N 7. С. 3-13.

3. Билик и.И., Славин Г.А., Лейтес И.Я. Некоторые закономерности изменения величин токов короткого замыкания в сетях энергосистем // Тр. Энергосетьпроекта. 1965. Вып. 5. С. 10-19.

4. Либкинд М.С., Маневич Л.С. Определение уровня токов трехфазных коротких замыканий при планировании развития энергосистемы // Электричество. 1972. N 8. С. 78-81.

5. Электротехнический справочник / Под общей ред. П.Г. Грудинского, Г.Н. Петрова, М.М. Соколова и др. М.: Энергия. 1971. Т. 1. 528 С.

6. Von Gustav Preninger. OVE, Welz. Kurzschlussprobleme von Transformatoren // Elektrotechnik und Maschinenbau mit industrieller Elektronik und Nachrichtentechnik. Helft 7/8. Wien, Juli/August. 1985. S. 291-297.

7. Билик H.И., Непомнящий В.А., Славин Г.А. Вероятности коротких замыканий с токами расчетных значений // Тр. Энергосетьпроекта. 1978. Вып. II. С. 75-88.

8. Трансформаторы. Международная конференция по большим электрическим системам (СИГРЭ-74) / Под ред. С.И. Рабиновича. М.: Энергия. 112 С.

9. Hohe Strome in EnergieVersorgungsnetzen. Bericht über das СIGRE-Symposium "Courants de forte entensite dans les reseaux". 3-5 Juli 1985 in Brüssel.

10. Неклепаев Б.H. Координация уровней токов короткого замыкания на электростанциях и в сетях энергосистем: Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. М., 1982. 40 С.

11. ГОСТ 26522-85. Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов. 1985. 17 С.

12. Сыромятников И.А. К вопросу о целесообразных значениях токов коротких замыканий в распределительных сетях // Электричество. 1966. N 7. С. 9-14.

13. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия. 1970. 519 С.

14. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Расчет электромагнитных переходных процессов для релейной зашиты на линиях большой протяженности. М.: Энергия. 1972. 144 С.

15. Чернин А.Б., Лосев С.Б. Основы вычисления электрических величин для релейной защиты при сложных повреждениях в электрической системе. М.: Энергия. 1971. 437 С.

16. Караев Р.И. Переходные процессы в линиях большой протяженности. М.: Энергия. 1978. 192 С.

17. Расчеты переходных процессов в электрических системах на ЭЦВМ / А.И. Долгинов, Л.С. Левина, А.И. Ступель, B.C. Шатин. М.: Энергия. 1968. 103 С.

18. Хайдаров Т.Х. Аварийные токи в обмотках трансформаторов и автотрансформаторов и их ограничение: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Л., 1980. 16 С.

19. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые (общие технические условия). М.: Изд-во стандартов. 1986. 51 С.

20. Усовершенствование волнового метода расчета электромагнитных процессов в электрических системах / Л. С. Левина, Ю.Н. Львов, А.И. Ступель, Ю.Р. Чернова // Электричество. 1984. N 7. С. 6-11.

21. Научно-технический отчет ВНИИЭ: Исследование причин повреждений трансформаторов 330 кВ и выше и шунтирующих реакторов 500 кВ и выше РАО "ЕЭС России" за 1992-1994 годы и разработка рекомендаций по повышению их надежности. Шифр 10-506/95. М., 1995.

22. Научно-технический отчет ВНИИЭ: Исследование причин повреждений трансформаторов 330 кВ и выше и шунтирующих реакторов 500 кВ и выше РАО "ЕЭС России" за 1995 год и разработка рекомендаций по повышению их надежности. Шифр 10-110/96. М.,1996.

23. Руководящие указания по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110-220 кВ энергосистем. М.: СПО Союзтехэнерго, 1985.

24. Характеристика переходных режимов работы трансформаторов тока / Э.В. Подгорный, A.B. Богдан, И.И. Надтока, Н.М. Середин // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1975. N 12. С. 19-24.

25. Вероятность возникновения больших погрешностей трансформаторов тока в переходных режимах и оценка действия . релейной защиты / А. Д. Дроздов, В. А. Гармаш, М.А. Беркович,

26. В.В. Ильиничнин // Электричество. 1978. N 6. С. 24-29.

27. Алексеев В.Г., Зихерман М.Х. Оценки вероятности насыщения трансформаторов тока в сети 500 кВ // Электричество. 1979. N 2. С. 53-56.

28. Алексеев В.Г. Статистический анализ параметров апериодических составляющих токов короткого замыкания в сети 500 КВ // Электричество. 1986. N 3. С. 51-53.

29. Алексеев В.Г. Апериодические составляющие токов короткого замыкания в сетях сверхвысокого напряжения // Электричество. 1987. N 9. С. 51-54.

30. Соллерген (Швеция). Обзорный доклад по разделу 12 (трансформаторы) // Трансформаторы: Переводы докл. Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-72) / Под ред. С.И. Рабиновича. М.: Энергия. 1975; С. 6-16.

31. Кин, Сцита, Уйхаци (Венгрия). Некоторые проблемы проектирования мощных трансформаторов // Трансформаторы: Переводы докл. Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-74)/Под ред. С.И. Рабиновича. М.: Энергия. 1978. С.99-107.

32. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергия. 1968. 455 С.

33. Львов Ю.Н., Хубларов H.H. Опасные воздействия токов КЗ при АПВ на обмотке трансформаторов // Электрические станции. 1990. N 9. С. 75-81.

34. Исследование радиальной устойчивости внутренних обмоток трансформаторов / В.В. Боднар, Б.А. Корбут, П.Г. Кохан, Л.В. Науменко // Электротехника. 1976. N 4. С. 14-17.

35. Найдорф М.Р. Заземления и защитные меры безопасности. М.-Л.: Энергия, 1965.

36. Борю Ю.И. Исследование эксплуатационных токов короткого замыкания силовых трансформаторов 110 кВ // Электротехника. 1976. N 4. С. 43-47.

37. Авакян М.А. Оптимизация режима заземления нейтралей трансформаторов в сетях 110-220 кВ энергосистем: Дисс. . канд. техн. наук. Ереван, 1989.

38. Письмо ВИТ от 5 сентября 1983 г., И-26-17/273: 0 проекте ГОСТ 11677 "Трансформаторы силовые. Общие технические условия".

39. ВилесовД.В., Целемецкий В.А. Вероятностная оценка величин ударных токов короткого замыкания в автономных электрических системах // Электричество. 1970. N 6. С. 16-20.

40. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Расчет ударных коэффициентов и их вероятностей при коротких замыканиях в электрических сетях напряжением 220-750 кВ". Шифр 3-244/80. М., 1982.

41. Отчет по НИР института "Знергосетьпроект": Разработка способов ограничения ударных токов коротких замыканий через обмотки трансформаторов и автотрансформаторов. Инв. номер 10301. ТМ-т.1. Проблема 0.01.06. Тема 07.410. М., 1979.

42. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Разработка требований по динамической устойчивости трансформаторов напряжением 110-750 кВ при коротких замыканиях. Анализ кратностей токов короткого замыкания в автотрансформаторах 220-750 кВ". Шифр 3-045/77. М., 1980.

43. Зилес Л.Д. О распределении свободных составляющих коммутационных перенапряжений в электрических сетях // Электричество. 1974. N 4. С. 16-19.

44. Манусов В.З., Моисеев С.М. Исследование вероятностных характеристик токов несимметричных коротких замыканий // Электричество. 1985. N б. С. 19-23.

45. Цирель Я.А., Поляков B.C. Эксплуатация силовых трансформаторов на электростанциях и в электрических сетях. JI. : Энергоатомиздат. 1985. 264 С.

46. Эксплуатационный циркуляр Ц-02-88О) "Об измерениях сопротивления короткого замыкания трансформаторов" от 28.12.87.

47. Количественная оценка результатов ■ 'импульсного дефектографирования силовых трансформаторов /C.B. Аликин, A.A. Дробишевский, Е.И. Левицкая, М.А. Филатова // Электротехника. 1990. N 5. С. 75-76.

48. ГОСТ 3484.1-88. Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний. М. : Изд-во стандартов. 1989. 33 С.

49. Шницер Л.М. Основы теории и нагрузочная способность трансформаторов. М.-Л.: Госзнергоиздат. 1959. 231 С.

50. Боднар В.В. Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов. М.: Энергоатомиздат. 1983. 176 С.

51. ГОСТ 17544-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ. Технические условия. М., 1986.

52. Ступель A.M., Львов Ю.Н., Левина Л.С. Моделирование на ЦВМ частотных характеристик линии при расчете переходных процессов волновым методом // Электричество. 1972. N 1. С. 25-28.

53. Львов Ю.Н. Частотные методы анализа переходных токов короткого замыкания в электрических системах: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1976.

54. Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике. М.: Энергия. 1968. 464 С.

55. Усовершенствование волнового метода расчета переходных электромагнитных процессов в электрических системах /Л.С. Левина, Ю.Н. Львов, А.И. Ступель, Ю.Р. Чернова // Электричество. 1984. N 7. С. 6-11.

56. Конов Ю.С. Насыщение магнитопрооводов трансформаторов и автотрансформаторов при коротком замыкании // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы. 1976. Вып. 11(67). С. 4-8.

57. Конов Ю.С. Короткие замыкания трансформаторов, сопровождающиеся насыщением магнитопровода // Электричество. 1978. N 4. С. 20-24.

58. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Физматгиз. 1961. 479 С.

59. Кокс Д. Р., Смит В. Л. Теория восстановления. М.: Советское радио. 1967. 296 С.

60. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Анализ кратностей токов короткого замыкания в автотрансформаторах 220-500 кВ". М., 1979.

61. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Анализ кратностей токов короткого замыкания в автотрансформаторах 220-750 кВ". М., 1980.

62. Мартино Дж. Технологическое прогнозирование. М.: Прогресс. 1977. 591 С.

63. ГОСТ 687-78. Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов.и рггп лп пi3ia. bv о.

64. Теумин И.И. Справочник по переходным электрическим процессам. М.: Гос. изд-во литературы по вопросам связи и радио, 1972.

65. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М.: Энергия. 1969. 424 С.

66. Исследование апериодических составляющих переходных токов трехфазных коротких замыканий / B.C. Богомолов, Г.А. Дорф, Ю.Н. Львов, Ю.Р. Чернова, А.И. Ступель // Электричество. 1978. N 11. С. 83-85.

67. Научно-технический отчет МЭИ. Кафедра электрических станций: Синхронные частотные характеристики мощных турбогенераторов. М., 1967.

68. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Частотные характеристики головного образца турбогенератора ТВВ-800-2 и турбогенератора ТВВ-300-5 без демпферной системы и с демпферной системой". М., 1970.

69. Научно-технический отчет ВШШЭ. Договор 1-338/70: Результаты испытаний гидрогенераторов СВФ 1690/175-64 Красноярской ГЭС по определению нагрева в успокоительной системе в переходных режимах. М., 1971.

70. Научно-технический отчет ВНМЭ "Экспериментальное определение частотных характеристик силовых трансформаторов". М.,и о г»'I 1Э / 1.

71. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Уточнение кратностей токов короткого замыкания в серии трехобмоточных трансформаторов 110-1150 кВ". Этап IV. М., 1974.

72. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Протокол измерений параметров автотрансформаторов типа А0ДЦТГ-135000 500/242/38,5 в режиме короткого замыкания для диапазона частот от 0 до 1000 Гц". М., 1975.

73. Артемьев Д.Е., Шур С.С. Экспериментальное определение параметров электропередачи Куйбышевская ГЭС Москва // Электричество. 1958. N 1. С. 31-38.

74. Костенко М.В., Перельман JI.C. К расчету волновых процессов в многопроводных линиях // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1963. N 6. С. 721-730.

75. Перельман Л.С. Таблицы интегралов Карсона для использования в расчетах волновых процессов в линиях с учетом земли. М.: Энергия. 1968. 464 С. (Изв. НИИ постоянного тока. Сб. 11).

76. Засыпкин A.C. Эквивалентная постоянная времени силового трансформатора для расчета тока короткого замыкания // Электротехника. 1981. N 11. С. 1189-1192. .

77. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов асинхронных машин. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1960. 312 С.

78. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Определение параметров восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей Кайшадорской ГАЭС". М., 1982.

79. Научно-технический отчет ВНИИЭ "Анализ работы блочных турбогенераторов. Исследование электрических характеристик, параметров и допустимых режимов работы по условиям нагрева активных частей, анализ эксплуатации". М., 1975.

80. Отчет МЭИ "Руководящие указания по расчету коротких замыканий, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания". М., 1975.

81. Заводской формуляр расчета гидрогенераторов СВФ.

82. ГОСТ 20243-74. Трансформаторы силовые. Методы испытаний на стойкость при коротком замыкании. М., 1974.

83. Непомнящий В.А. Учет надежности при проектировании энергосистем. М.: Энергия, 1978.

84. Показатели надежности электротехнического оборудования. М.: ВЗПИ, 1974.

85. Анализ случаев отключений систем шин РУ 110-330 кВ за период 1968-1970 гг. М.: ОРГРЭС, 1972.

86. То же за период 1968-1971 гг. М.: ОРГРЭС, 1973.

87. Кривушкин Л.Ф., Чевычелов В.А. О целесообразной области применения асинхронизированных турбогенераторов // Электрические станции. 1983.N10. С. 38-41.

88. Отчет УкрЭСП "Анализ условий развития и структурной схемы сетей 330-750 кВ Юга на 2000 год и оценка возможных величин тока короткого замыкания". Номер гос. регистрации 76075684. Харьков, 1977.

89. Чевычелов В.А. Режимы работы и технико-экономические показатели энергосистем при использовании асинхронизированных турбогенераторов: Дисс. . канд. техн. наук. М.: ВНИИЭ, 1982.

90. ГОСТ 11.005-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров экспоненциального распределения Пуассона.

91. Дерч Г. Руководство к практическому применению преобразований Лапласа и Z-преобразования. М.: Наука, 1971.

92. Костенко М.П., Пиотровский Л.Н. Электрические машины. Ч. 1. Машины постоянного тока. Трансформаторы. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1957. 464 С.

93. Подгорный Э.В. Расчет переходных токов короткого замыкания с применением ЭВМ: Учебное пособие. Новочеркасск: 1984. 87 С.

94. Электрические системы. Т.2. Электрические сети / Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергия. 1970. 519 С.

95. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат, 1980.

96. Методика оптимизации режимов энергосистем / Под ред. В.М. Горнштейна. М.: Энергоиздат, 1981.

97. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. м.: Энергоиздат, 1981.

98. Неклепаев Б.H. Электрическая часть электростанций и подстанций. М.: Атомэнергоиздат. 1986. 640 С.

99. Могузов В.Ф., Конов Ю.С., Хубларов H.H. Основные вопросы контроля обеспечения стойкости мощных трансформаторов при коротких замыканиях // Электрические станции. 1981. N 3. С. 37-40.

100. Определение деформации обмоток крупных трансформаторов / В.В. Соколов, C.B. Цурпал, Ю.С. Конов, В.В. Короленко // Электрические станции. 1988. N 6. С. 52-56.

101. Машанова O.E. Ограничение сквозных токов в автотрансформаторах при внешних коротких замыканиях в электрических сетях 110-220 кВ: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Киев: 1986.

102. Противоаварийный циркуляр Ц-11-87(Э) "О снижении числа опасных воздействий токов КЗ на обмотки автотрансформаторов 330-500 кВ" от 16.11.86.