Применение метода фазных координат для анализа несимметричных режимов электроэнергетических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Якимчук, Николай Николаевич

• Якимчук, Николай Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Якимчук, Николай Николаевич

введение.

глава математические модели элементов электроэнергетических систем в фазных координатах.

1.1. общие положения.

1.2. модели элементов электроэнергетической системы в фазных координатах.

1.3. моделирование воздушных линий в фазных координатах.

1.4. модели трансформаторов в фазных координатах.

1.4.1. Трансформаторы с заземленной и изолированной нейтралью.

1.4.2. Модели трансформаторов с явно выделенной нейтралью.*.

1.4.3. Трехобмоточные трансформаторы. выводы по главе

глава методика расчета установившихся режимов электроэнергетических систем в фазных координатах.

2.1. решение системы уравнений узловых потенциалов методом двойной факторизации.

2.2. обоснование методики расчета установившегося режима энергосистемы в фазных координатах.

2.3. уменьшение порядка системы узловых уравнений для ускорения итерационных расчетов.

Выводы по главе 2.

глава взаимовлияние сближенных воздушных линий и йх воздействие на режимы электрических систем.

3.1. постановка задачи.

3.2. одиночная воздушная линия.

3.3. две параллельные воздушные линии.

3.4. оптимизация фазировки двухцепной В л для увеличения ее натуральной мощности.

3.5. снижение токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в энергосистеме путем оптимизации фазировки двухцепных вл.

3.6. перераспределение потоков мощности в параллельных вл в результате взаимного влияния сближенных цепей.

Выводы по главе 3.

глава методика расчета максимальных наведенных напряжений на отключенных вл для обеспечения безопасности ремонтных работ.

4.1. общие положения.

4.2. приближенный метод расчета наведенных напряжений.

4.3. расчет наведенных напряжений с применением фазных координат.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение метода фазных координат для анализа несимметричных режимов электроэнергетических систем»

В настоящее время в электроэнергетических системах (ЭЭС) находится в эксплуатации силовое оборудование, в большинстве своем исчерпавшее свой ресурс. В то же время, ввиду снижения нагрузок по причине спада промышленного производства напряжения в энергосистемах зачастую приближаются к максимально допустимым пределам. По этим причинам участились случаи выхода из строя энергетического оборудования, причем нередко повреждается лишь одна фаза трехфазного элемента (например, шунтирующего реактора, трехфазной группы однофазных автотрансформаторов (АТ) и др.). При этом имеется возможность продолжения работы оборудования неполным числом фаз, что позволяет обеспечить достаточно высокую надежность электроснабжения в послеаварийных режимах, а в ряде случаев избежать развития серьезных аварий. Для оценки условий допустимости таких несимметричных режимов, для разработки мероприятий по управлению ими, а также для анализа сложных несимметричных повреждений возникает необходимость в расчетах напряжений, токов, мощностей в ЭЭС при различных параметрах фаз. В нормальных нагрузочных режимах также возникает несимметрия токов и напряжений из-за наличия в энергосистеме таких элементов, как протяженные воздушные линии электропередачи (ВЛ), железнодорожная тяговая нагрузка на переменном токе [1]. Особенно заметно пофазное различие параметров на линиях 330-750 кВ [2, 3]. В некоторой степени оно может быть устранено применением транспозиции, особым размещением фаз на опорах [4, 5]. Тем не менее, остается актуальной возможность учета несимметрии линий при некоторых специализированных расчетах нормальных и аварийных режимов, а также для повышения надежности работы релейной защиты [6].

Наиболее точно реальной энергосистеме соответствует трехфазная модель, в которой любой элемент представлен собственными сопротивлениями трех фаз и взаимными междуфазными сопротивлениями [7, 8, 9, 10, 11, 12] (метод фазных координат). Однако до последнего времени данный метод используется ограниченно из-за сложности расчетных моделей и значительного объема вычислений.

Для упрощения расчетной модели применяется представление трехфазной системы токов и напряжений в виде симметричных составляющих. Продольная и поперечная несимметрия в системе может быть учтена при расчете в симметричных составляющих. Данный вопрос подробно рассмотрен в работах [7, 13]. При этом применяются различные приемы: составление комплексных схем замещения, использование расчетных соотношений, применение специальных многополюсников связи между схемами различных последовательностей [13]. Однако применение симметричных составляющих при расчетах несимметричных режимов сопряжено с рядом сложностей: количество одновременно рассматриваемых несимметрий невелико; комплексные схемы замещения при одновременном рассмотрении двух несимметрий в различных фазах не обладают взаимностью (то есть соответствующая матрица узловых проводимостей или узловых сопротивлений несимметрична относительно главной диагонали).

Основным преимуществом метода симметричных составляющих по сравнению с методом фазных координат является уменьшенное количество информации, требующейся для формирования схемы замещения, меньший объем машинной памяти при выполнении расчетов на ПЭВМ, меньшее количество расчетных операций и затрат машинного времени. Однако при представлении трехфазной системы в симметричных составляющих происходит выравнивание параметров фаз и теряется пофазное различие. Метод симметричных составляющих при анализе сложных несимметричных режимов требует применения сложного математического аппарата и не является универсальным. В этих случаях он не имеет заметного преимущества перед методом фазных координат.

В работе [14] приводится анализ различных видов погрешностей, имеющих место при расчете установившихся режимов электрических систем. Моделирование трехфазных элементов в симметричных составляющих вносит дополнительную методическую погрешность в расчет, тем большую, чем значительнее пофазное различие, существующее в реальной системе.

Развитие вычислительной техники на современном этапе позволяет снять ограничения на использование метода фазных координат в энергетических расчетах, имевшиеся из-за низких вычислительных способностей ЭВМ. ПЭВМ последних серий имеют достаточно высокое быстродействие и объем памяти для работы с трехфазной моделью энергосистемы. Учет слабой заполненности матриц узловых проводимостей в фазных координатах еще более ускоряет обработку таких моделей. Поэтому стало возможным проводить анализ режимов достаточно обширных участков энергосистемы с учетом пофазного различия элементов [7]. Количество одновременных несимметрий при этом практически не ограничено.

В диссертационной работе разработаны и усовершенствованы трехфазные математические модели, учитывающие пофазные различия элементов энергосистемы (воздушных линий без транспозиции, трансформаторов с различными коэффициентами трансформации и сопротивлениями фаз, несимметричных нагрузок, оборудования с неполным числом фаз). Приводятся трехфазные модели трансформаторов с явно представленной нейтралью обмотки, соединенной в звезду, в виде отдельного трехфазного узла, которые могут быть применены при анализе режимов сложных трансформаторных цепей с подключенными в нейтрали устройствами для продольно-поперечного регулирования напряжения [15], а также при расчетах режимов, когда требуется контроль потенциала нейтрали.

В настоящей работе приводятся методики расчета на ПЭВМ аварийных (для начального момента времени) и установившихся длительных режимов работы энергосистемы по трехфазной модели системы. Разработан модернизированный алгоритм итерационного расчета установившегося режима с учетом особенностей трехфазных моделей. На базе данных методик создано специализированное программное обеспечение для ПЭВМ, работающие с трехфазными моделями энергосистем. С применением этих программ проведены исследования некоторых вопросов, связанных с особенностями взаимодействия фаз близко расположенных ВЛ.

Современные электрические сети характеризуются высокой степенью сложности и разветвленности. Значительное количество воздушных линий на значительном протяжении проходят параллельно в непосредственной близости друг от друга. Возникающее при этом взаимодействие оказывает влияние на режим работы данных ВЛ и энергосистемы в целом. Особенно это заметно на двухцепных линиях, у которых расстояние между цепями определяется длиной траверс опор.

В трехфазной модели взаимное влияние между близко расположенными ВЛ учитывается наиболее полно, что позволяет провести анализ влияния цепей друг на друга с учетом пространственного расположения фазных проводов на опорах. В [16] рассмотрено влияние фазировки цепей двухцепных В Л на их эквивалентное продольное сопротивление, а, следовательно, на пропускную способность. В настоящей диссертационной работе проведена комплексная оценка зависимости таких параметров двухцепной ВЛ, как продольное сопротивление, емкостная проводимость, натуральная мощность, от расположения фаз на опорах для ряда конкретных двухцепных линий.

В [17] предложены способы снижения несимметрии токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в двухцепных ВЛ за счет рациональной подвески фаз с целью отказа от транспозиции достаточно протяженных линий. В диссертационной работе проведено дополнительное уточнение картины распределения токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в цепях двухцепной ВЛ при различных вариантах расположения ее фаз как в нормальных рабочих режимах, так и при коротких замыканиях. Проведена оценка условий работы устройств релейной защиты двухцепных ВЛ с учетом взаимовлияния цепей.

Рассмотрены особенности потокораспределения в параллельных ВЛ при наличии между ними достаточно сильного взаимовлияния.

Значительное внимание в работе уделено вопросу определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт воздушных линиях. В настоящее время энергосистемам предписано выявлять путем измерений воздушные линии, на которых при их отключении и заземлении наводится опасное напряжение свыше 42 В от близко расположенных действующих ВЛ. При этом выдвигается требование определения наведенного напряжения при максимальном возможном влияющем токе. Поэтому возникает потребность пересчета измеренных наведенных напряжений к максимально возможному значению. В связи с этим разработана универсальная методика с использованием трехфазных математических моделей, которая позволяет определять наведенные напряжения с учетом комплексного воздействия нескольких действующих ВЛ в различных режимах их работы. Рассмотрен вопрос корректного определения потенциала на заземляющем устройстве подстанции, к которому присоединяется отключенная линия своим концом, с учетом токов, стекающих с грозозащитных тросов других ВЛ и с нейтралей автотрансформаторов. Также предлагается упрощенная инженерная методика пересчета к максимальным значениям измеренных наведенных напряжений, которая может быть применена при отсутствии специализированных расчетных программ, работающих с трехфазными моделями энергосистем, а также для оценки уровня наведенного напряжения при упрощенной схеме взаимодействия воздушных линий.

Работа выполнялась с применением вычислительной техники, самостоятельно разработанного программного обеспечения. Методика расчета наведенных напряжений по трехфазным моделям ВЛ использовалась при определении наведенных напряжений в энергосистемах энергообъединений Центра, Северо-Запада, Урала, Юга.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Якимчук, Николай Николаевич

Выводы по главе 4

1. Предложены пути уточнения определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт ВЛ за счет более корректного учета таких условий, как электромагнитное и электростатическое взаимовлияние ВЛ, сопротивление заземления в месте проведения работ, взаимное расположение фаз и тросов отключенной и влияющих линий на каждом транспозиционном участке, несимметрия влияющих токов, комплексное влияние нескольких линий на отключенную и др.

2. Для целей повышения точности расчетного определения наведенных напряжений произведено уточнение модели заземляющего устройства трансформаторной подстанции с учетом стекания токов нулевой последовательности с грозозащитных тросов всех ВЛ и с нейтралей трансформаторов (автотрансформаторов).

3. Разработана упрощенная (инженерная) методика расчета наведенных напряжений, основанная на представлении заземления выведенной в ремонт ВЛ как короткого замыкания через переходное сопротивление, равное сопротивлению заземляющего устройства.

Отключенная линия при этом моделируется тремя схемами замещения (прямой, обратной, нулевой последовательностей), причем в отличие от расчета токов КЗ наведенные ЭДС присутствуют в схемах всех трех последовательностей.

4. Предложена универсальная методика определения наведенных напряжений с использованием программы для ПЭВМ расчета установившихся режимов энергосистем по трехфазным моделям отключенной и влияющих ВЛ, позволяющая учитывать большинство факторов, способствующих повышению точности расчета, проводить анализ режимов схемы с целью выявления наиболее тяжелых условий с точки зрения уровня наведенных напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Усовершенствованы трехфазные математические модели элементов ЭЭС, учитывающие несимметричность параметров ВЛ, трансформаторов, нагрузок и другого оборудования, применительно к расчетам установившихся и сверхпереходных режимов ЭЭС.

2. Разработаны методика, алгоритм и программное обеспечение для анализа установившихся и сверхпереходных несимметричных режимов ЭЭС и управления ими. Программа предназначена для планирования допустимых режимов при наличии в сети несимметрии параметров отдельных элементов, в том числе связанной с неполнофазным включением оборудования, а также для анализа несимметричных повреждений ЭЭС.

3. Выявлены особенности влияния расположения фаз двухцепных В Л на их физические (индуктивное сопротивление, емкостная проводимость) и режимные (несимметрия токов и напряжений) параметры и на условия работы устройств релейной защиты. Для ряда конкретных двухцепных ВЛ 110-500 кВ даны рекомендации по улучшению их режимных характеристик, снижению несимметрии токов и напряжений, повышению надежности работы релейной защиты за счет рационального размещения фазных проводов.

4. Предложена уточненная методика определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт ВЛ, учитывающая электромагнитное и электростатическое взаимодействие отключенной и влияющих ВЛ, их пофазную несимметрию, особенности схемы заземления подстанции и другие факторы. Методика внедрена в энергосистемах энергообъединений Центра, Урала, Северо-Запада, Юга.

5. Предложены практические способы решения научно-исследовательских, эксплуатационных задач оценки допустимости несимметричных и неполнофазных режимов работы оборудования. Разработаны технические мероприятия по снижению несимметрии токов и напряжений, обусловленной пофазным различием параметров элементов ЭЭС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Якимчук, Николай Николаевич, 2000 год

1. Брацлавский С.Х., Гершенгорн А.И., Лосев С.Б. Специальные расчеты электропередач сверхвысокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Гершенгорн А.И., Голембо З.Б. Несимметрия токов и напряжений в электрических системах, содержащих линии 750 кВ. // Сб. статей Дальние электропередачи 750 кВ. Часть 1. М.: Энергия, 1974.

3. Гершенгорн А.И. Целесообразность применения транспозиции на линиях высокого напряжения. // «Труды Энергосетьпроект», 1970, вып. 1.

4. Перельман Л.С., Тиходеев H.H. Влияние превышения высоты подвески проводов средней фазы над крайними на основные электрические характеристики линии 750 кВ. // Сб. статей Дальние электропередачи 750 кВ. Часть 1. М.: Энергия, 1974.

5. Заславская Т.Б. Алгоритмы расчета в фазных координатах сети большого объема. // «Труды СибНИИЭ», 1972, вып. 23.

6. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1983.

7. Берман А.П., Расчет несимметричных режимов электрических систем с использованием фазных координат. // Электричество, № 12, 1985.

8. Гусейнов A.M. Расчет в фазных координатах несимметричных установившихся режимов в сложных системах. // Электричество, 1989, № 3.

9. Карасев Д.Д., Карасев Е.Д. Расчет режимов электрических сетей по программе "ФАЗАН". Под ред. А.И. Артемова. М.: Моск. энерг. инт-т, 1989.

10. Попов В.А. Исследование и разработка методов расчета на ЦВМ электрических величин для релейной защиты при сложных повреждениях в электросистемах. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. МЭИ, М.: 1972.

11. Идельчик В.И., Паламарчук С.И. Определение полной погрешности при расчетах установившихся режимов электрических систем. // Электричество, №2, 1977.

12. Бошняга В.А. Расчет и анализ несимметричных режимов работы участка электрической сети с трансформаторными устройствами // Электрические станции, № 3, 1997.

13. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Зуев Э.Н. Повышение пропускной способности за счет рационального размещения проводов двухцепных линий электропередачи. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1965, №6.

14. Евдокунин Г.А., Чуйков Ю.В., Щербачев О.В. О целесообразном расположении фаз двухцепных воздушных линий для снижения пофазной несимметрии // Электрические станции, № 3, 1980.

15. Нейман В.В. Методы анализа установившихся несимметричных режимов электрических систем, питающих тяговые нагрузки. // Применение математических методов при управлении режимами и развитием электрических систем. Межвузовский сборник. Иркутск, 1978.

16. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970.

17. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М.: Энергия, 1975.

18. Laughton M.A. Analysis of unbalanced polyphase networks by the method of phase-coordinates. Part 1. Proc. Inc. Elec. Eng., 1968, vol. 115, No. 8.

19. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. M.: Энергоатомиздат, 1989.

20. Брамеллер А., Аллан Р., Хэмэм Я. Слабозаполненные матрицы. Пер. с англ. М.: Энергия, 1979.

21. Сенди К. Современные методы анализа электрических систем. М.: Энергия, 1971.

22. Попов В.А., Мисриханов М.Ш., Кушкова Е.И. Особенности учета потерь мощности при неполнофазном режиме работы оборудования. // Электрические станции, 1995, № 7.

23. Пятков A.B. Несимметрия токов и напряжений многоцепных самокомпенсирующихся воздушных линий. // Изв. ВУЗов СССР. Энергия, 1982, №3.

24. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. И.А. Баумштейна и М.В. Хомякова. М.: Энергоиздат, 1981.

25. Алексеев Б.А., Крылов C.B., Тимашова JI.B. Компактные воздушные линии электропередачи. // Электрические станции, 1993, №9.

26. Дядищев Б.А., Вакуленко A.A., Шеляженко С.А., Езовит Г.П. Метод безопасного производства работ на BJI 110 750 кВ. находящихся под наведенным напряжением. // Электрические станции, № 4, 1988.

27. Шарандин A.A. Характер проявления наведенного напряжения и меры защиты. // Энергетик, 1992, № 6.

28. Курбатский В.Г. Обеспечение безопасных условий производства в электросетевом строительстве при наличии наведенных напряжений. // Энергетическое строительство, 1992, № 1.

29. Методические указания по измерению наведенных напряжений на отключенных BJ1, проходящих вблизи действующих BJI напряжением 35 кВ и выше и контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока. ОРГРЭС, Москва, 1993 г.

30. Попов В.А. Якимчук H.H. Пересчет к максимальным значениям измеренных наведенных напряжений на ремонтируемых ВЛ при сложном влиянии действующих линий. // Еженедельная электронная газета РАО «ЕЭС России» «ЭНЕРГО-ПРЕСС» № 49 (173), 31 июля 1998.

31. Долин П.А., Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия, 1970.

32. Серебренников И.А. Особенности производства работ на отключенных линиях, находящихся вблизи действующих линий электропередач. // Наладочные и экспериментальные работы ОРГРЭС, вып. XXXIV, изд. «Энергия», 1966.

33. Попов В.А., Мисриханов М.Ш., Онищенко A.A., Чередниченко К.В., Кушкова Е.И. Характеристика распределения потенциала наведенного напряжения на отключенной линии. // Энергетик, № 2, 1994.

34. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.

35. Тураев В.А. О наведенных напряжениях на воздушных линиях. // Электрические станции, 1995, № 8.

36. Попов В.А., Якимчук H.H. По поводу статьи В.А. Тураева «О наведенных напряжениях на воздушных линиях» // Электрические станции, 1998, № 3.

37. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 11. Расчеты токов короткого замыкания для релейной защиты и системной автоматики в сетях 110 750 kB. М.: Энергия, 1979.

38. Глушко В.И., Ямный O.E., Ковалев Э.П., Науменок H.A. Расчет наведенного напряжения на линиях электропередачи и обеспечение безопасности работ на этих линиях. // Электричество, 1997, № 8.

39. Васюра Ю.Ф., Черепанова Г.А., Легконравов В.Л. Исследование наведенных напряжений на отключенных линиях электропередачи. // Электрические станции, 1999, № 2.

40. Попов В.А., Бочкарев О.В., Соловьев С., Мисриханов М.Ш. Измерение мощности в условиях неполнофазных режимов работы оборудования. // Электрические станции, 1994, № 4.

41. Грубер Л.О., Засорин С.Н., Перцовский Л.М. Электрические станции и тяговые подстанции. М.: Транспорт, 1964.

42. Лосев С.Б., Офицерова И.И. Разработка методических указаний по расчету сложно-несимметричных режимов в сетях 110-750 кВ. // Отчет о НИР. М.: Энергосетьпроект, 1981.

43. Воздушные линии электропередачи. Переводы докладов XXIII сессии СИГРЭ, 1970 г. Под редакцией В.В. Бургсдорфа. М.: Энергия, 1972.