Математическое моделирование и исследование эффективности применения в электроэнергетической системе токоограничивающего реактора с подмагничиванием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Брилинский Андрей Станиславович

• Брилинский Андрей Станиславович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Брилинский Андрей Станиславович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современные методы ограничения токов КЗ

1.1. Общие сведения о методах ограничения токов КЗ

1.2. Зарубежный опыт применения токоограничивающих реакторов с

подмагничиванием

Глава 2. Определение требований к параметрам токоограничивающего

реактора с подмагничиванием

2.1. Конструкция и принцип действия устройства

2.2. Расчёт установившихся режимов работы сети с учётом установки

реактора с подмагничиванием

2.3. Методика расчёта основных параметров токоограничивающего

устройства

2.3.1. Расчёт параметров конструкции сетевых обмоток ТОР с

подмагничиванием

2.3.2. Расчёт параметров конструкции обмотки управления ТОР с

подмагничиванием

2.3.3. Расчёт параметров конструкции магнитопровода ТОР с

подмагничиванием

2.4. Пример расчёта параметров токоограничивающего устройства

2.4.1. Расчёт параметров конструкции сетевых обмоток ТОР с

подмагничиванием

2.4.2. Расчёт параметров конструкции обмотки управления ТОР с

подмагничиванием

2.4.3. Расчёт параметров конструкции магнитопровода ТОР с

подмагничиванием

Глава 3. Моделирование и анализ токоограничивающих свойств

реактора с подмагничиванием

3.1. Описание методики моделирования устройства

3

3.2. Расчёт параметров математической модели ТОР с

подмагничиванием

3.3. Работа ТОР с подмагничиванием в нормальном режиме и при

коротком замыкании

Глава 4. Анализ переходного восстанавливающегося напряжения на

контактах выключателей при использовании токоограничивающих

реакторов с подмагничиванием

4.1. Модель неуправляемого токоограничивающего реактора для

определения ПВН на контактах выключателей

4.2. Модель токоограничивающего реактора с подмагничиванием для

определения ПВН на контактах выключателей

4.3. Компьютерный расчёт ПВН в сложной схеме сети с ТОР, с

воздушными и кабельными линиями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

4

ВВЕДЕНИЕ

Надёжность функционирования систем электроснабжения

непосредственно зависит от безотказной работы установленного в них

коммутационного оборудования. Повышение надёжности работы систем

электроснабжения имеет первостепенное значение.

В современной энергетике все острее встаёт проблема ограничения

токов короткого замыкания (КЗ), величина которых, без дополнительных мер

по их ограничению, может заметно превысить отключающую способность

установленных выключателей. При этом ряд наиболее распространённых

мероприятий, направленных на уменьшение уровня тока КЗ, может

приводить к значительному снижению надёжности работы сети, усложнению

алгоритмов работы противоаварийной автоматики (стационарное и

автоматическое деление сети), а также к ограничению пропускной

способности и дополнительным потерям электроэнергии в сети (установка

токоограничивающих реакторов). Альтернативной мерой для решения

проблемы роста уровня токов КЗ может быть замена существующей

коммутационной аппаратуры на оборудование с бόльшей величиной

отключающей способности, однако, следует подчеркнуть, что замена

существующей коммутационной аппаратуры не всегда технически

реализуема ввиду ограниченности места на подстанциях. Вдобавок к этому

стоимость замены коммутационной аппаратуры может приводить к

значительным капитальным затратам. Поэтому актуальным является

внедрение новых устройств ограничения токов КЗ, установка которых

позволит эффективно ограничить уровень токов КЗ, сохранив или повысив

уровень надёжности работы сети.

За годы, прошедшие с момента создания первых устройств для

ограничения токов КЗ, многие отечественные и зарубежные учёные вели

исследования в этой области. В их число входят Ульянов С.А., Щедрин Н.Н.,

Неклепаев Б.Н., Чернин А.Б., Лосев С.Б., Хаммарлунд П., Кучумов Л.А.,

5

Александров Г.Н., Шакарян Ю.Г., Евдокунин Г.А., Смоловик С.В. и многие

другие.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является разработка методики

имитационного моделирования токоограничивающих реакторов с

подмагничиванием и исследование нормальных и аварийных процессов их

работы в составе электроэнергетических систем.

Для достижения цели работы необходимо решение следующих задач:

1. Разработка методики расчёта параметров конструкции

токоограничивающего реактора с подмагничиванием для определения

основных размеров магнитной системы и обмоток;

2. Определение требований к математическим моделям

неуправляемого токоограничивающего реактора и токоограничивающего

реактора с подмагничиванием, используемых для исследования переходных

восстанавливающихся напряжений на контактах выключателей при

отключении коротких замыканий;

3. Создание математической модели токоограничивающего реактора с

подмагничиванием на основе данных о параметрах его конструкции и

выполнение расчётов переходных процессов в нормальных режимах работы

и в режиме ограничения тока КЗ;

4. Исследование переходных процессов при коротких замыканиях в

электрических сетях с неуправляемыми токоограничивающими реакторами и

токоограничивающими реакторами с подмагничиванием;

5. Обоснование эффективности и целесообразности применения

токоограничивающих реакторов с подмагничиванием в электрических сетях

высокого напряжения.

Научная новизна

1. Создана математическая модель токоограничивающего реактора с

подмагничиванием;

6

2. Предложена методика определения основных размеров магнитной

системы и обмоток токоограничивающего реактора с подмагничиванием;

3. Обоснована эффективность и целесообразность применения

токоограничивающих реакторов с подмагничиванием в электрических сетях

высокого напряжения с кабельными линиями.

Теоретическая и практическая ценность результатов работы

1. Разработана методика расчёта параметров конструкции

токоограничивающего реактора с подмагничиванием по заданным величинам

индуктивного сопротивления устройства в нормальном режиме работы,

номинальных токов обмоток и потерь активной мощности;

2. Создана математическая модель токоограничивающего реактора с

подмагничиванием, учитывающая особенности поведения устройства в

составе электроэнергетической системы в нормальных режимах работы и в

режиме ограничения тока КЗ;

3. Выполнено имитационное моделирование неуправляемого

токоограничивающего и токоограничивающего с подмагничиванием

реакторов для исследования переходных восстанавливающихся напряжений

на контактах выключателей при отключении коротких замыканий;

4. Определены требования по учёту распределённости параметров

обмоток в математических моделях неуправляемого токоограничивающего

реактора и токоограничивающего реактора с подмагничиванием,

используемых для исследования переходных восстанавливающихся

напряжений на контактах выключателей при отключении коротких

замыканий;

5. Доказана эффективность применения токоограничивающих

реакторов с подмагничиванием в электрических сетях высокого напряжения

с кабельными линиями.

7

Положения, выносимые на защиту

1. Методика расчёта основных параметров конструкции

токоограничивающего реактора с подмагничиванием;

2. Методика имитационного моделирования для анализа работы

токоограничивающего реактора с подмагничиванием в составе

электроэнергетических систем в нормальных режимах работы и в режиме

ограничения тока КЗ;

3. Учёт распределённости параметров неуправляемого

токоограничивающего реактора и токоограничивающего реактора с

подмагничиванием при исследовании переходных восстанавливающихся

напряжений на контактах выключателей при отключении коротких

замыканий;

4. Обоснование эффективности и целесообразности применения

токоограничивающих реакторов с подмагничиванием для обеспечения

оптимального распределения активной мощности и снижения уровня токов

КЗ в электрических сетях высокого напряжения с кабельными линиями.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и исследование эффективности применения в электроэнергетической системе токоограничивающего реактора с подмагничиванием»

Апробация работы

Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на:

 научно-практической конференции «Energy2012. Повышение

эффективности энергетического оборудования» (г. Санкт-Петербург, РФ,

2012);

 международной конференции «Интеллектуальная

электроэнергетика, автоматика, высоковольтное управляемое и

коммутационное оборудование» (г. Москва, РФ, 2013);

 выставке-форуме «Современные тенденции распределительного

сетевого комплекса» (п. Терволово Гатчинского района Ленинградской

области, РФ, 2016).

 8

Публикации

По теме диссертации в соавторстве опубликованы 8 статей:

1. Брилинский А.С., Плохих М.И., Смоловик С.В. Координация токов

короткого замыкания в сетях высокого напряжения мегаполиса (на примере

энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области) // Электро. 2012.

№1. С. 11-16.

2. Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В.

Математическое моделирование токоограничивающего устройства,

использующего эффект насыщения магнитопровода // Известия НТЦ Единой

энергетической системы. 2012. №2(67). С. 51-66.

3. Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В. Модель

токоограничивающего устройства, использующего эффект насыщения

магнитопровода / Материалы научно-практической конференции

«Energy2012. Повышение эффективности энергетического оборудования»: в

2 т. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2012. Т. 2. 514 с.

4. Артемьев М.С., Брилинский А.С., Паршина Н.И., Смоловик С.В.

Разработка математической модели токоограничивающего устройства,

использующего эффект насыщения магнитопровода // Энергоэксперт. 2012.

№6(35). С. 34-41.

5. Брилинский А.С., Евдокунин Г.А. Моделирование и анализ

токоограничивающих свойств реактора, управляемого подмагничиванием //

Известия РАН. Энергетика. 2013. №4. С. 37-48.

6. Брилинский А.С., Евдокунин Г.А., Смоловик С.В., Шепель Ю.И.

Методика расчёта параметров основных элементов конструкции

токоограничивающего реактора с подмагничиванием // Электрические

станции. 2015. №11(1012). С. 42-46.

7. S.V. Smolovik, A.S. Brilinskiy, V.S. Chudny, R.I. Mingazov and

N.N. Petrov, «Phase-shifting transformer as short-circuit current-limiting device»,

2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic

Engineering (EIConRus), St. Petersburg, 2017, pp. 1585-1589.

 9

8. Брилинский А.С., Евдокунин Г.А., Мингазов Р.И., Петров Н.Н.,

Чудный В.С. Совместное регулирование потоков мощности и ограничение

токов короткого замыкания с помощью фазоповоротного трансформатора //

Электрические станции. 2017. №7(1032). С. 19-27.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка

литературы из 50 наименований. Объём работы включает в себя 137 страниц

основного текста, одно приложение, 15 таблиц и 63 рисунка. Нумерация

таблиц, формул и рисунков самостоятельная в пределах каждой главы.

 10

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КЗ

1.1. Общие сведения о методах ограничения токов КЗ

Рост уровней токов КЗ вызывает снижение эксплуатационной

надёжности всех силовых элементов электрической системы. Наибольшему

тепловому и электродинамическому воздействию подвергаются жёсткие

шины, кабели, электрические аппараты. Возникает необходимость

координации уровней токов КЗ и параметров электрооборудования.

При проектировании энергосистем основная цель координации токов КЗ

состоит в выборе оптимальной схемы связей с узловыми подстанциями

энергосистемы. При этом должны учитываться возможные параметры

электрооборудования, режимные ограничения, требования к устойчивости и

надёжности работы энергосистемы.

При эксплуатации энергосистемы координация уровней токов КЗ и

параметров электрооборудования осуществляется изменением схемы,

режимов работы, параметров основных элементов и электрооборудования.

При этом используются:

 модернизация оборудования с целью увеличения его отключающей

способности и электродинамической стойкости;

 стационарное и автоматическое деление сети на секционных,

шиносоединительных или линейных выключателях;

 разземление нейтралей некоторых трансформаторов или их

заземление через дополнительные резисторы или реакторы;

 различного рода токоограничивающие устройства.

Схемные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования

развития энергосистем, а также при проектировании мощных электростанций

и развития сетей повышенного напряжения. Они предусматривают

изменение степени жёсткости электрических связей между сетями и состоят

в выборе оптимальных (при поставленных условиях и ограничениях) схем

выдачи мощности электростанций, структуры и параметров элементов сети

 11

энергосистемы. Данные мероприятия включают в себя также решение

вопроса об укрупнении или разукрупнении мощностей электростанций и

подстанций.

Схемные решения могут предусматривать:

 выделение части территории (регионов) сетей одного напряжения,

связанных между собой только через сеть повышенного напряжения – так

называемое периферийное или продольное разделение сетей (рисунок 1.1, а);

Сеть ВН Сеть ВН

Сеть СН G Сеть СН 1-я сеть СН 2-я сеть СН

Регион 1 Регион 2

Район 1

Text

а) б)

Рисунок 1.1 – Оптимизация структуры сети: а) периферийное, б) местное

 наложение сетей одного и того же напряжения на площади данного

региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения – так

называемое местное или поперечное разделение сетей (рисунок 1.1, б).

Данное решение позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со

стабильным ограниченным уровнем токов короткого замыкания;

 разукрупнение электростанций по мощности;

 разукрупнение узлов сети по генерируемой мощности, в частности,

разделение распределительных устройств повышенного напряжения мощных

электростанций на самостоятельные части с обеспечением параллельной

работы через узловые подстанции сети, а также переключение части блоков

электростанций на более высокие напряжения [1].

Деление сети также применяют и в процессе эксплуатации, когда

требуется ограничить рост уровней токов КЗ при развитии энергосистем. При

этом различают стационарное и автоматическое деление сети.

 12

Стационарное деление сети осуществляется в нормальном режиме с

помощью секционных, шиносоединительных или линейных выключателей.

Оно производится тогда, когда уровень тока короткого замыкания в узле сети

с точки зрения параметров установленного оборудования превышает

допустимую величину.

На подстанциях и электростанциях, имеющих распределительные

устройства генераторного напряжения, деление сети может осуществляться

как на высшем, так и на низшем напряжении. Это зависит от того, в сети

какого напряжения требуется и имеется возможность снизить уровень тока

короткого замыкания. На блочных электростанциях деление сети

осуществляют в распределительных устройствах высокого напряжения.

Следует отметить, что стационарное деление сети оказывает

неблагоприятное влияние на режимы, устойчивость и надёжность работы

электростанций и энергосистем, а также на потери мощности в сетях.

Автоматическое деление сети осуществляется в аварийной схеме для

облегчения работы коммутационных аппаратов при отключении ими

повреждённой цепи. Оно выполняется на секционных или

шиносоединительных выключателях, реже – на выключателях мощных

присоединений. При повреждении на присоединении распределительного

устройства (на линии) сначала отключается секционный или

шиносоединительный выключатель, затем линейный выключатель и

осуществляется цикл автоматического повторного включения.

При автоматическом делении сети отключается значительно меньший

ток, чем полный ток короткого замыкания в повреждённой цепи. Поэтому

данная операция не встречает затруднений. Однако вся система каскадного

отключения токов короткого замыкания с применением устройств

автоматического деления сети имеет ряд недостатков:

 требуется, чтобы выключатели присоединений были способны

выдержать полный сквозной ток короткого замыкания и включиться без

повреждения в своей цепи;

 13

 возможность появления в послеаварийном режиме существенного

небаланса мощностей источников и нагрузки в разделившихся частях сети,

что влияет на устойчивость и надёжность работы энергосистемы;

 увеличение времени восстановления нормального режима.

В целом устройства автоматического деления сети относительно

недорогие, простые и надёжные. Поэтому они нашли достаточно широкое

применение в электрических сетях различных классов напряжения.

Рассмотрим теперь различные виды токоограничивающих устройств и

их свойства. Основное требование, предъявляемое к токоограничивающим

устройствам – ограничение токов КЗ без существенного влияния на

нормальный режим работы сети. Кроме того, они должны иметь стабильные

характеристики при изменении схемы и параметров режима.

К токоограничивающим устройствам относятся:

 Токоограничивающие реакторы;

 Трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой

низшего напряжения;

 Токоограничивающие коммутационные аппараты;

 Токоограничивающие устройства резонансного типа;

 Токоограничивающие устройства трансформаторного типа;

 Токоограничивающие устройства реакторно-вентильного типа;

 Токоограничивающие устройства со сверхпроводниками;

 Быстродействующие полупроводниковые токоограничивающие

устройства.

Рассмотрим подробнее каждый тип токоограничивающих устройств.

Токоограничивающие коммутационные аппараты ограничивают ток

КЗ в течение первого полупериода его появления и далее незамедлительно

отключают ток КЗ. При этом, если величина тока КЗ значительна, а

ожидаемый при КЗ ток не превышает коммутационной способности

аппарата, то выполняется условие iСКВ<iУД.ОЖ., где iСКВ – сквозной ток цепи

при КЗ; iУД.ОЖ.– ожидаемый ударный ток цепи при КЗ.

 14

Таким образом, токоограничивающие коммутационные аппараты, к

которым, в частности, относятся токоограничивающие предохранители

различных типов и конструкций и ограничители ударного тока взрывного

действия, ограничивают ударный ток КЗ, т.е. обладают свойством

безынерционности действия [1].

Силовые токоограничивающие предохранители внутренней и наружной

установок изготавливаются на относительно небольшие номинальные токи и

на напряжения 3÷35 кВ (ПКТ и ПКН) и на 10÷110 кВ (серии ПВТ).

Токоограничивающие предохранители отличаются простотой

конструкции и, как следствие, относительно небольшой стоимостью. Однако

они имеют ряд недостатков: одноразовое действие; нестабильные

токовременные характеристики; недостаточная эксплуатационная

надёжность; ограниченная зона использования по значениям номинальных

токов и номинальных напряжений; неуправляемость от внешних устройств, в

частности от устройств релейной защиты; трудоёмкость осуществления

цикла АПВ защищаемой цепи. С учётом этого область применения

токоограничивающих предохранителей весьма ограничена – как правило,

они устанавливаются в цепях менее ответственных потребителей.

Ограничители ударного тока взрывного действия представляют собой

сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты

одноразового действия с относительно большим номинальным током.

Также на электрических станциях и подстанциях нашли применение

силовые трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной

обмоткой низшего напряжения, так как данное мероприятие позволяет

существенно снизить ток КЗ в сети низшего напряжения. Повышающие

трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего

напряжения используются для формирования укрупнённых блоков

электростанций, особенно на ГЭС, а понижающие трансформаторы и

автотрансформаторы применяются на подстанциях энергосистем и

 15

промышленных предприятий; понижающие трансформаторы используются

также в системе собственных нужд мощных ТЭС и АЭС.

Принцип действия резонансных токоограничивающих устройств

основан на использовании эффекта резонанса напряжений при работе в

нормальном режиме и расстройке резонанса в аварийной схеме.

Следует отметить, что резонансные токоограничивающие устройства

ведут себя как «гибкая пробка», ограничивая скорость нарастания тока КЗ в

цепи, причём это ограничение тем больше, чем выше добротность

реактивных элементов.

Большую роль в токоограничении играет то, что резонансные ТОУ при

соответствующем выборе параметров элементов могут выполнять функции

системных элементов многоцелевого назначения, такие как регулирование

напряжения в сети, ограничение тока КЗ и обеспечение торможения

генераторов при КЗ.

Кроме того, известны другие токоограничивающие устройства:

 токоограничивающие устройства трансформаторного и реакторно-

вентильного типов,

 вставки постоянного тока,

 сверхпроводниковые токоограничивающие устройства.

Основным элементом токоограничивающих устройств

трансформаторного типа является трансформатор последовательного

включения, во вторичную цепь которого включено то или иное нелинейное

сопротивление, в том числе и с релейной (пороговой) характеристикой.

Параметры трансформатора последовательного включения выбираются

таким образом, чтобы при предельном токе КЗ в цепи и разомкнутой

вторичной обмотке его магнитопровод не насыщался. Токоограничение в

схеме осуществляется путём размыкания вторичной обмотки

трансформатора ограничителем ударного тока ОТ или другим

безынерционным коммутационным аппаратом; тиристорным коммутатором

и т.д., как показано на рисунке 1.2, в.

 16

Рисунок 1.2 – Схемы токоограничивающих устройств

трансформаторного типа

В токоограничивающих устройствах реакторно-вентильного типа

используются комбинации реакторов и управляемых вентилей. Наличие

реактора облегчает работу тиристоров, размыкающих вторичную обмотку

трансформатора при КЗ в защищаемой цепи. На этой идее основана схема на

рисунке 1.3, в, где реактор установлен в диагонали выпрямительного моста с

тиристорами.

Рисунок 1.3 – Схемы токоограничивающих устройств реакторно-

вентильного типа

 17

Ранние разработки ограничителей, как, впрочем, и другого

оборудования, основывались на применении низкотемпературных

сверхпроводников (НТСП). К их основному недостатку можно отнести то, что

эти материалы находятся в сверхпроводящем состоянии только при

температуре, всего на несколько градусов превосходящей абсолютный нуль,

что, естественно, делает их охлаждение (в основном жидким гелием) очень

дорогим, а саму токоограничивающую установку громоздкой и тяжёлой в

эксплуатации. Несмотря на это, некоторые разработчики достигли

достаточно больших успехов в освоении НТСП-токоограничителей.

Пожалуй, самым удачным можно назвать совместный проект французской

электроэнергетической системы Electricite de France и концерна Alstom –

созданный НТСП-токоограничитель выдержал испытания на напряжении

40 кВ.

Благодаря развитию сверхпроводниковых материалов, в настоящее

время стало возможным изготовление устройств с высокотемпературными

сверхпроводниками (ВТСП), благодаря разработке проводов с YBCO (Yttrium

barium copper oxide – Иттрий-барийный оксид меди, иттриевая керамика)

покрытием. Учёными было предложено достаточно много вариантов

исполнений ВТСП-токоограничителей. Рассмотрим наиболее

распространённые из них.

Самым «простым» и малогабаритным является резистивный тип

токоограничителя, основанный на нелинейности сопротивления

сверхпроводника. Резистивное исполнение в свою очередь делится на два:

последовательное и шунтирующее.

В первом случае сверхпроводниковый безындуктивный резистор

последовательно включается в схему с защищаемой нагрузкой (рисунок 1.4).

В нормальном режиме сопротивление токоограничителя равно нулю, но как

только при аварии ток достигает заданной величины, токоограничитель

выходит из сверхпроводящего состояния и переходит в резистивное.

 18

Выключатель ВТСП-резистор

Рисунок 1.4 – Резистивный ВТСП-токоограничитель последовательного типа

Гораздо эффективнее применение шунтирующего типа. Принцип

токоограничения аналогичен последовательному типу, но при этом

параллельно сверхпроводнику подключается «тёплый» резистор (а) или

катушка индуктивности (б) (рисунок 1.5). В номинальном режиме работы

сопротивление ВТСП-резистора равно нулю, и ток протекает по нему. При

КЗ при достижении сопротивления сверхпроводника достаточного значения,

значительная часть тока начинает протекать по параллельно соединённому

элементу, который в свою очередь ограничивает ток КЗ.

ВТСП-резистор ВТСП-резистор

Выключатель Выключатель

Токоограничивающий

Резистор реактор

а) б)

Рисунок 1.5 – Резистивный и индуктивный ВТСП-токоограничитель

шунтирующего типа

В данном исполнении токоограничитель может выдержать несколько КЗ

подряд с достаточно высоким быстродействием, т.к. температура

сверхпроводника не увеличивается так сильно, как при последовательном

соединении. Однако при изготовлении шунтирующего токоограничителя

потребуется примерно на 10% больше ВТСП-провода.

Нелинейность вольтамперной характеристики сверхпроводника также

используется в токоограничителях индуктивного типа (рисунок 1.6). Его

можно представить в виде трансформатора с ВТСП-нелинейным резистором,

подключённым во вторичную обмотку [4].

 19

Выключатель ВТСП-резистор

Трансформатор

Рисунок 1.6 – Индуктивный ВТСП-токоограничитель

В нормальном режиме работы вторичная обмотка трансформатора

замкнута на сверхпроводник – сопротивление токоограничителя близко к

нулю. При возникновении КЗ резистор выходит из сверхпроводящего

состояния и его сопротивление возрастает, в результате чего ток КЗ

ограничивается индуктивным сопротивлением первичной обмотки.

Основным недостатком индуктивного ВТСП-ограничителя тока можно

назвать большие габариты устройства, а также более сложную конструкцию

и высокую стоимость по сравнению с резистивным и индуктивным

токоограничителями шунтирующего типа.

Следует также отметить ещё один вид токоограничителя, поскольку он

является российской разработкой. Токоограничитель с насыщенным

магнитопроводом, состоящий из ВТСП-катушки подмагничивания, токовых

катушек и магнитопроводов. При токоограничении в нем не происходит

переход сверхпроводящей обмотки подмагничивания из сверхпроводящего

состояния в резистивное, что даёт высокое быстродействие и готовность к

следующему мгновенному срабатыванию. Недостатком такого

токоограничителя являются огромные габариты.[2,3]

Токоограничивающие реакторы могут отличаться конструктивным

исполнением, устройством, а так же технико-экономическими

характеристиками и параметрами. Их можно классифицировать по разным

признакам:

 20

 С линейной, нелинейной и ограниченно-линейной или

квазилинейной характеристикой;

 Без магнитопровода и с магнитопроводом;

 Со стержневой, броневой, бронестержневой, тороидальной,

цилиндрической и навитой магнитной системой (магнитопроводом)

 Нерегулируемые, регулируемые, управляемые, насыщающиеся;

 С продольным, поперечным и кольцевым подмагничиванием;

 С масляной или сухой изоляцией;

 Секционные, линейные и заземляющие;

 Одинарные и сдвоенные.

В настоящее время в энергосистемах для ограничения токов КЗ

используются только нерегулируемые реакторы с линейной

характеристикой. В сетях 6(10) кВ применяются одинарные и сдвоенные

реакторы.

Реакторы с линейной характеристикой, включаемые последовательно в

цепь питающего присоединения, ограничивают ток КЗ и поддерживают

относительно высокий уровень остаточного напряжения в узле подключения.

Но в них в нормальном режиме имеют место потери активной и реактивной

мощности, а также падение напряжения. Возможные схемы включения

линейных и секционных реакторов приведены на рисунке 1.7 а, б.

Рисунок 1.7 – Схема линейного (а), секционного (б) и сдвоенного (в)

включения реакторов

Наиболее эффективным с точки зрения падения напряжения и потерь

мощности является сдвоенный реактор (рисунок 1.7, в). В нормальном

 21

режиме магнитная связь между ветвями реактора уменьшает падение

напряжения в нем без снижения токоограничивающей способности.

В качестве альтернативного токоограничивающего устройства может

быть использован токоограничивающий реактор со стальным сердечником,

использующий эффект насыщения (номинально для изготовления

сердечника предполагается использование кремниевой стали, но возможно

применение других материалов). Данное устройство работает как

дополнительное индуктивное сопротивление, уменьшающее ток при

коротком замыкании. В нормальном режиме сердечник

токоограничивающего реактора с подмагничиванием находится в глубоком

насыщении и при этом его собственное индуктивное сопротивление мало.

При коротком замыкании (КЗ) сердечник изменяет своё магнитное состояние

(магнитная проницаемость стального сердечника μсердечника становится много

больше μ0) под действием тока КЗ, протекающего по сетевым обмоткам

реактора. Это в свою очередь увеличивает индуктивное сопротивление

устройства и снижает величину тока КЗ.

Одним из первых подобный принцип работы токоограничивающего

устройства без уточнения конструкции его магнитопровода был запатентован

в 1965 году [5]. Позднее в патенте [6] были рассмотрены различные

конструкции магнитопровода, насыщаемые постоянным магнитом, который

впоследствии в патенте [7] был заменён управляемым источником

постоянного напряжения. В 2007 году А.М. Брянцевым и А.И. Лурье было

запатентовано устройство ограничения тока короткого замыкания с двумя

круглыми в сечении полустержнями [8], на которых размещены сетевые

обмотки и обмотки управления, изменяющие величину тока намагничивания

при КЗ.

 22

1.2. Зарубежный опыт применения токоограничивающих реакторов с

подмагничиванием

При поддержке Калифорнийской Энергетической Комиссии (CEC) и

Министерства Энергетики США (DOE) токоограничивающее устройство,

использующее эффект насыщения магнитопровода (известное как CEC FCL),

впервые было установлено в Avanti Circuit («Схема будущего») на

подстанции в Сан-Бернардино (Южная Калифорния) 9 марта 2009 г. Работа

данного устройства основана на концепции [9], впервые предложенной в

1982 году.

Рисунок 1.8 – Устройство CEC FCL 15 кВ на подстанции в Сан-Бернардино

«Схема будущего» [10] – недавно построенная распределительная сеть

12,47 кВ, включающая в себя реальных потребителей разных типов (жилые

здания, коммерческие потребители, лёгкая промышленность). Устройство

CEC FCL, установленное в данной сети, рассчитано на 20% ограничение тока

короткого замыкания при предполагаемом действующем значении тока КЗ

23 кА. Номинальный ток устройства – 800 А. Основные параметры CEC FCL

приведены в таблице 1.1.

Одним из преимуществ технологии насыщения стального сердечника

является немедленное восстановление рабочего состояния. Вследствие чего

устройство может эффективно ограничивать ток КЗ в случае цикличного

характера его появления. Ещё одной особенностью данного устройства

является то, что эффективность ограничения тока КЗ регулируется с

помощью изменения тока обмотки управления.

 23

Данное устройство занимает площадку размером 2,7×3,7 м2 и имеет вес

около 20 тонн. Вес и размеры устройства главным образом определяет

трёхфазный стальной сердечник.

Таблица 1.1 – Параметры устройства CEC FCL

Параметр Значение

Линейное напряжение 15 кВ

Максимальный ток нагрузки 800 А (3 фазы, 60 Гц)

Падение напряжения при максимальной нагрузке < 1%

Ограничивающая способность 20%

Тип КЗ Трёхфазное КЗ

30 периодов

Время КЗ

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брилинский Андрей Станиславович, 2018 год

Источник

постоянной НОУ НСО 1 СО №1 СО №2

НСО 2 НОУ

ЭДС

w1 w2

wОУ

iОУ

ОУ

Рисунок 3.6 – Вектора напряжённости магнитных полей устройства

Следовательно, при КЗ, если рассматривать интервал от 0 до 0,01 c,

кривая напряжённости магнитного поля, создаваемого током сетевой

обмотки №2 (кривая 7), пересечёт зону прямых 1. При достижении кривой 7

данной зоны магнитная проницаемость стального сердечника сетевой

обмотки №2, согласно рисунку 3.7, значительно увеличивается по мере

уменьшения величины напряжённости магнитного поля. При этом

пропорционально магнитной проницаемости происходит рост индуктивного

сопротивления устройства. В зоне 0<|H|<120 А/м значение μ достигает

предельной величины, равной 9867,6, а, следовательно, индуктивное

сопротивление увеличивается в ~104 раз, ограничивая скорость нарастания

мгновенного значения тока сетевой обмотки до нуля к моменту времени,

равному ¼ периода промышленной частоты. Далее ток проходит через

нулевое значение, и меняет полярность. Процесс повторяется. На рисунке

данному процессу соответствует кривая 9.

Очевидно, что на данном интервале времени напряжённость магнитного

поля, создаваемого током сетевой обмотки №1, (кривая 8) имеет полностью

симметричный по отношению к кривой 9 вид.

1,5E+06 Кривая Вид Описание

Н1

Зона напряжённости магнитного поля, в которой магнитная

H, А·м 1 == H2

проницаемость стального сердечника μсердечника >>μ0

– Напряжённость магнитного поля в стальном сердечнике,

H_ОУ

2 создаваемая обмоткой управления

H1+H_ОУ

Суммарная напряжённостьH2+H_ОУмагнитного поля в стальном

1,0E+06 3 – сердечнике, создаваемая сетевой обмоткой №1(2) и обмоткой

Ряд8

управления, в нормальном режиме работы

Напряжённость магнитногоРяд9поля в стальном сердечнике при

4 -- КЗ, создаваемая сетевой обмоткой №1, без учёта

H_граничное

токоограничивающего эффекта

+ устройства

Напряжённость магнитногоH_граничное

поля в стальном

- сердечнике при

5,0E+05 5 -- КЗ, создаваемая сетевой обмоткой

H1+H_ОУ(огр

анич.)

токоограничивающего эффекта устройства

№2, без учёта

Суммарная напряжённость магнитного поля в стальном

– сердечнике при КЗ, создаваемая сетевой обмоткой №1 и

70

6 обмоткой управления, без учёта токоограничивающего

t, c эффекта устройства

0,0E+00 Суммарная напряжённость магнитного поля в стальном

7 – сердечнике при КЗ, создаваемая сетевой обмоткой №2 и

обмоткой управления, без учёта токоограничивающего

эффекта устройства

Суммарная напряжённость магнитного поля в стальном

-5,0E+05

8 – сердечнике при КЗ, создаваемая сетевой обмоткой №1 и

обмоткой управления, с учётом токоограничивающего

эффекта устройства

Суммарная напряжённость магнитного поля в стальном

9 – сердечнике при КЗ, создаваемая сетевой обмоткой №2 и

обмоткой управления, с учётом токоограничивающего

эффекта устройства

Граница перехода из зоны технического намагничивания в

-1,0E+06

0 0,01 0,02 0,03 0,04 10 -- зону истинного намагничивания (парапроцесса), в которой

магнитная проницаемость стального сердечника μсердечника≈μ0

Рисунок 3.7 – Изменение напряжённости магнитных полей в характерных режимах работы

 71

Амплитудное значение тока КЗ с учётом эффекта ограничения может

приближённо быть вычислено следующим образом:

lСО

I m КЗ 2   H ОУ .

2  wСО

Отсюда может быть вычислена величина МДС, создаваемой обмоткой

управления, при которой обеспечивается ограничение тока КЗ на уровне

Im КЗ2:

FОУ  H ОУ  lОУ  2  wСО  I m КЗ 2  2 147  6,9 10 3 А  1,434 10 6 А А  витки  .

 72

3.3. Работа ТОР с подмагничиванием в нормальном режиме и при

коротком замыкании

В данном разделе приведены расчётные осциллограммы магнитных

индукций в полустержнях устройства, токов и напряжения, полученных в

результате компьютерного моделирования работы устройства по описанной в

Главе 2 методике. Ниже приведены осциллограммы магнитных индукций в

полустержнях при коротком замыкании на выводе сетевой обмотки

устройства в момент нуля и максимума напряжения (рисунок 3.8).

а) – КЗ в момент нуля напряжения

3,30

B, Тл

2,24

1,18

0,12

– полустержень №1

– полустержень №2

-0,94

-2,00

t, c

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

б) – КЗ в момент максимума напряжения

3,0

B, Тл

2,6

2,2

1,8

1,4

1,0

0,6

0,2

– полустержень №1; – полустержень №2

-0,2

t, c

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

 73

Рисунок 3.8 – Осциллограммы магнитных индукций в полустержнях

устройства при КЗ в сети в момент нуля (а) и максимума напряжения (б)

В нормальном режиме работы минимальное значение магнитной

индукции в обоих полустержнях превышает 2 Тл, следовательно, оба

полустержня на протяжении всего периода промышленной частоты

находятся в насыщенном состоянии, обеспечивая минимальную величину

индуктивного сопротивления устройства.

Видно, что при коротком замыкании форма кривых магнитной индукции

искажается, и кривые перестают быть полностью симметричными

относительно некоторого поястоянного значения (около 2,2 Тл) по

сравнению с нормальным режимом работы ввиду размагничивания

полустержней током КЗ. При этом в начальный момент КЗ магнитная

индукция одного из полустержней снижается до нуля, а второй полустержень

из-за наличия в токе значительной апериодической составляющий остается

насыщенным. При возникновении КЗ в момент максимума напряжения

(рисунок 3.8) магнитные индукции обоих полустержней каждую половину

периода промышленной частоты уменьшаются до значений, характерных

размагниченному состоянию стали. Вследствие чего каждую половину

периода в ограничении тока КЗ участвует только одна из обмоток с

размагниченным полустержнем.

На рисунке 3.9 представлена осциллограмма тока через устройство при

коротком замыкании. Приведенная осциллограмма показывает, что

сопротивление ТОР с подмагничиванием при коротком замыкании близко к

расчетному значению 8 Ом, снижающему ток КЗ на 80%. В кривых тока

устройства наиболее выраженными являются 3 и 5 гармоники, составляющие

9,2 и 3,2% от первой гармоники соответственно.

 74

а) – КЗ в момент максимума напряжения

30,0

I, кА

17,6

5,2

-7,2

-19,6

-32,0

– без учёта ТОР; – с учётом ТОР t, c

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

б) – КЗ в момент нуля напряжения

40

I, кА – без учёта ТОР; – с учётом ТОР

30

20

10

0

-10

-20

-30

t, c

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

Рисунок 3.9 – Осциллограммы тока через ТОР с подмагничиванием при КЗ в

сети в момент максимума (а) и нуля (б) напряжения c учетом и без учета

действия токоограничивающего устройства

На рисунке 3.10 представлена осциллограмма тока ОУ при коротком

замыкании. Согласно приведённому рисунку в нормальном установившемся

режиме работы отсутствует влияние сетевых обмоток ТОР с

подмагничиванием на ОУ ввиду симметричной конструкции магнитопровода

и согласного включения СО.

 75

1600

IОУ, А

1450

– ток ОУ при КЗ в момент нуля напряжения

– ток ОУ при КЗ в момент максимума напряжения

1300

1150

1000

850

700

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 t, c 0,14

Рисунок 3.10 – Осциллограмма тока обмотки управления при КЗ в сети в

момент нуля и максимума напряжения

При КЗ за счёт наличия электромагнитной связи между ОУ и СО в ОУ

появляется дополнительная переменная составляющая тока, имеющая

частоту 100 Гц. Данная составляющая тока, главным образом, вызвана

изменением формы кривых магнитных индукций в полустержнях. Это

происходит, ввиду того, что при КЗ полустержни каждый полупериод

промышленной частоты имеют различную магнитную проницаемость, форма

кривой магнитной индукции в полустержне с µ>>1 искажается и принимает

вид отличный от синусоидального, характерного для нормального режима

работы устройства. Следовательно, при КЗ переменная составляющая

результирующей магнитной индукции обоих полустержней при согласном

включении СО не равна нулю и имеет частоту 100 Гц, что приводит к

возникновению в короткозамкнутой ОУ тока той же частоты. Данный ток

является причиной появления в полустержнях дополнительной

составляющей магнитной индукции, имеющей частоту 100 Гц и

препятствующей процессу снижения степени насыщения полустержней и,

следовательно, снижает эффект ограничения устройством тока КЗ.

 76

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНОГО ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ

НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПРИ

ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ РЕАКТОРОВ С

ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

При отключении коротких замыканий (КЗ) любого вида на контактах

выключателя после погасания дуги в нем возникает переходное

восстанавливающееся напряжение (далее – ПВН), обусловленное

собственными параметрами сети в месте установки выключателя.

Форма ПВН зависит от конфигурации и параметров цепи, а также от

величины тока КЗ. При выборе или проверке выключателя в отношении его

способности отключать токи КЗ должно проводиться сопоставление

нормируемого ПВН для данного типа выключателя, и собственного ПВН,

имеющего место при отключении токов короткого замыкания в конкретной

точке сети. Собственное ПВН определяется только параметрами

коммутируемой цепи при отключении тока без апериодической

составляющей «идеальным выключателем», у которого полное

сопротивление между размыкаемыми контактами при «естественном»

переходе через нуль мгновенно изменяется от нуля до бесконечности.

Выключатель обеспечит успешное отключение КЗ в том случае, если кривая

собственного ПВН сети идёт не выше, чем восстанавливается электрическая

прочность межконтактного промежутка после погасания дуги в нем [30].

Согласно требованиям [31,32] выключатель должен отключать токи

вплоть до нормированного при условии, что ПВН в месте установки

выключателя:

1. не выходит за пределы (не проходит выше) условной граничной

линии нормированной характеристики ПВН;

2. пересекает один раз линию запаздывания и вторично её не

пересекает.

Нормированные характеристики ПВН задаются условной граничной

линией, определяемой:

 77

а. двумя параметрами – uc, t3, а также координатами линии запаздывания u

и td в соответствии с рисунком 4.1;

б. четырьмя параметрами – u1, uc, t1, t2, а также координатами линии

запаздывания u и td в соответствии с рисунком 4.2.

Рисунок 4.1 – Нормированные характеристики ПВН, определяемого двумя

параметрами

Рисунок 4.2 – Нормированные характеристики ПВН, определяемого

четырьмя параметрами

Параметры u1 и uc определяются соотношениями:

выключатели UНОМ ≤ 35 кВ:

 78

u1  2 U ВП (4.1)

выключатели UНОМ ≥ 110 кВ:

u1  0,75  2 U ВП , (4.2)

u c  K a  2 U ВП , (4.3)

K ПГ U НР

U ВП  , (4.4)

3

где UВП – полюсное возвращающееся напряжение, КПГ – коэффициент

первого гасящего полюса (при трёхфазном КЗ), Ка – коэффициент

превышения амплитуды, UНР – наибольшее рабочее напряжение

выключателя.

Для выключателей с UНОМ ≤ 35 кВ КПГ=1,5; для выключателей с

UНОМ ≥ 110 кВ КПГ=1,3. Значения Ка, составляющие от 1,4 до 1,54, приведены

в таблицах [31] и стандарте организации ПАО «ФСК ЕЭС» [32].

Нормированные характеристики ПВН при отключении токов короткого

замыкания, приведённые в таблицах [31] и стандарте организации

ПАО «ФСК ЕЭС» [32], соответствуют условиям работы первого гасящего

полюса при отключении трёхфазного короткого замыкания.

ПВН, возникающее при отключении тока короткого замыкания, зависит

от многих факторов, которые можно разделить на две группы. Первая группа

включает факторы, определяемые схемой и оборудованием сети:

индуктивности, ёмкости, активные сопротивления, волновые сопротивления

и т.д. Вторая группа включает факторы, определяемые процессами,

происходящими при отключении выключателя: напряжение дуги, остаточная

после прохождения тока через нулевое значение проводимость, влияние

шунтирующих резисторов и конденсаторов.

Для проверки выключателя необходимо определить ПВН, возникающее

под воздействием факторов первой группы, называемое собственным ПВН.

Для выполнения точных расчётов необходима информация в том числе о

нелинейных и зависящих от частоты элементах сети, а также об элементах с

 79

распределёнными параметрами. При расчётах собственного ПВН (без учёта

влияния дуги в выключателе) в разветвлённых системах используется метод

встречного тока, основанный на методе наложения, который позволяет

проводить расчёты процесса восстановления напряжения в схемах с

нулевыми начальными условиями. Это упрощает решение задачи, т.к.

исключает необходимость определения установившихся значений токов и

напряжения во всех элементах схемы и задания их мгновенных (начальных)

значений к моменту отключения выключателя.

Рисунок 4.3 – Включение источников тока по методу встречного тока

Рассмотрим схему (рис.4.3, а), где предполагается определить кривую

ПВН uв(t) на контактах выключателя после размыкания, когда на правом

полюсе КЗ, а слева подключена сколь угодно сложная электрическая

система, содержащая источники э.д.с. Ei и тока Ii. К моменту отключения в

выключателе протекает синусоидальный ток iКЗ(t)=Im∙sin(ω0∙t). Прекращение

тока в выключателе можно осуществить одновременным размыканием

выключателя и включение двух равных по величине и форме, но

противоположно направленных источников тока iГ(t) (рис.4.3, а). Источники

тока могут быть произвольными. Напряжение можно найти суммированием

отдельно найденных составляющих от действия каждой из э.д.с., источников

тока и начальных условий.

Однако, если в качестве источника тока взять ток выключателя, условно

продолженный после t=0 (момент размыкания), т.е. iГ(t)=iкз(t), и рассмотреть

две комбинации расчётных схем (рис.4.3, б,в), то расчёт напряжения uв(t)

 80

сведётся к расчёту переходного процесса только в схеме (рис.4.3, в) при

нулевых начальных условиях. Действительно, схема (рис.4.3, б) предполагает

расчёт переходного процесса u'в(t) при включении вместо выключателя

источника тока iГ(t) в схему сети с ненулевыми начальными условиями,

источниками тока и э.д.с. В схеме (рис.4.3, в) следует определять вторую

составляющую u"в(t), вызванную включением того же источника iГ(t) (но

противоположно направленного) в пассивную схему сети при нулевых

начальных условиях, источниках тока и э.д.с., причём источники э.д.с.

должны быть накоротко замкнуты, а источники тока – разомкнуты. В

результате получим искомое напряжение в виде суммы:

uв (t )  u 'в (t )  u ''в (t ) (4.5)

Однако, учитывая, что iГ(t)=iкз(t), включение источника iГ(t) в схему

(рис.4.3, б) не вызовет в ней переходного процесса, этот режим отвечает

замкнутому состоянию выключателя, поэтому u'в(t)=0 и u"в(t)=0. Таким

образом, процесс восстановления напряжения uв(t) можно получить

включением вместо выключателя источника тока (по форме и величине

совпадающего с отключенным током КЗ) в пассивную схему сети при

нулевых начальных условиях во всех элементах.