ОГРАНИЧЕНИЕ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МЕГАПОЛИСА

Возрастающее потребление электроэнергии в мегаполисах сопровождается увеличением мощности распределенной генерации. Неизбежным следствием такого развития является рост токов короткого замыкания (КЗ), сопровождающийся увеличением электродинамических и тепловых воздействий на электрооборудование [3].

Максимальный уровень токов КЗ является критическим параметром, ограничивающим развитие электрических систем мегаполисов. Величина максимального тока КЗ – это технико-экономический параметр, определяющий целесообразность ограничения тока КЗ или замену электрооборудования, способного выдержать увеличенные значения токов КЗ [2].

В настоящее время ограничение токов КЗ достигается:

- раздельной работой трансформаторов и питающих линий, применением трансформаторов с расщепленной обмоткой;

- включением в сеть токоограничивающих реакторов;

Однако все эти решения приводят к увеличению потерь мощности и напряжения в электрической системе, т.к. ограничение тока КЗ достигается за счет увеличения индуктивного сопротивления сети.

Появление новых технологий и материалов в производстве магнитопроводов дают возможность создать токоограничивающий реактор, обладающий следующими свойствами: ограничение ударного и установившегося токов КЗ до заданного уровня; автоматическое срабатывание и восстановление после устранения тока КЗ; оказывание минимального влияния на нормальный режим работы электрической сети, прежде всего на уровень напряжений [5].

Токоограничивающий реактор (рис.1) работает следующим образом. При незамкнутой обмотке w_К магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ катушек w₁ и w₂ представляют собой потоки рассеивания, замыкающиеся через воздушный промежуток окна магнитопровода. В этом режиме сопротивление последовательно соединенных обмоток минимально, так как определяется только индуктивностью рассеивания обмоток. При воз­растании тока увеличивается падение напряжения на обмотках w₁ и w₂, в  результате чего возрастает напряжение первичной обмотки реактора, что приводит к отпиранию тиристоров VD1 и VD2, закора­чивающих обмотку w_К. При этом магнитный поток Ф₂ уменьшается, что приводит к уменьшению сопротивления обмотки w₂, а следовательно, к дальнейшему снижению падения напряжения на ней. Этот процесс заканчивается возрастанием потока Ф₁, который теперь замыкается по сердечнику. Сопротивление обмотки возрастает пропор­ционально возрастанию ее индуктивности (от значения индуктивности рассеивания L_S до значения индуктивности намагничивания L_µ) [1].

Рисунок 1. Схема токоограничивающего реактора

В качестве примера рассмотрим схему электрической сети с подключенным токоограничивающим реактором в цепи генератора ЭС 1 на  шины 110 кВ (рис.2).

Рисунок 2. Схема электрической сети

Оценим влияние токоограничивающего реактора на ограничение токов КЗ в точке К1 и динамическую устойчивость электрической системы

В нормальном режиме работы предприятия индуктивное сопротивление токоограничивающего реактора мало (близко к нулю), что обеспечивает минимальное влияние на потери мощности и напряжения. Сворачиваем схему и определяем полный ток КЗ в сети без учета реактора.

             а)                                                                          б)

Рисунок 3. а) Схема замещения сети без учета реактора б) Преобразованная схема замещения сети без учета реактора

В аварийном режиме, при превышении током КЗ номинального тока выключателя и срабатывании тиристоров, индуктивность намагничивания увеличивается из-за роста магнитной проницаемости в 10 – 1000 раз. Индуктивное сопротивление токоограничивающего реактора многократно возрастает и, вследствие этого, ток КЗ уменьшается [6].

             а)                                                                          б)

Рисунок 4. а) Схема замещения сети с учетом реактора б) Преобразованная схема замещения сети с учетом реактора

Расчёт ведём в относительных единицах [7].

Определяем сверхпереходные токи от питающих элементов системы.

Токи КЗ от системы и электростанции ЭС1.

где    — ЭДС системы и электростанции ЭС1.

Полный и ударный токи КЗ.

где  — ударный коэффициент.

До аварии отдаваемую генератором мощность и угол между  и  обозначим соответственно  и . В момент аварии в связи с изменением конфигурации схемы происходит переход с одной угловой характеристики на другую. Вследствие большой инерции ротора угол  мгновенно измениться не может, поэтому отдаваемая генератором мощность уменьшается до значения , определяемого углом

По правилу площадей можно качественно оценить динамическую устойчивость ЭС1 [4].

где:  — предельный угол отключения аварии (трехфазного КЗ);

— максимальные мощности, соответствующие угловым характеристикам доаварийного и послеаварийного режимов, кВт;

 — критический угол, равный сумме 90⁰  и дополнительного угла взаимного комплексного сопротивления  шунтирующего активного сопротивления.

Для примера рассмотрим расчет со следующими параметрами элементов схемы.

Данные линий ВЛ1, ВЛ2: марка провода АС-120/19, длина линии км, номинальное напряжение  кВ, удельное реактивное сопротивление Ом/км, Ом/км.

Данные трансформаторов Т1, Т2: марка трансформатора ТДН-16000/110/10,  номинальная мощность S_ном=16 МВА, напряжение КЗ %, активное сопротивление  Ом

Данные реактора: реактивное сопротивление   Ом

Данные ЭС1: мощность нагрузки , сверхпереходное сопротивление  ,

Данные нагрузки: мощность нагрузки

Принимаем базисную мощность 

Результаты расчета сведем в табл. 1.

Таблица 1.

Расчетные данные

Оцениваем динамическую устойчивость.

Рисунок 5. Правило площадей для случая трехфазного КЗ: а) без учета реактора; б) с учетом реактора

Применение токоограничивающего реактора в цепи генераторов распределенной генерации обеспечивает снижение токов КЗ и не оказывает влияние на параметры нормального режима.

Список литературы:

1. Гольдштейн В.Г. Современные проблемы электроснабжения мегаполисов: моногр. М.: Энергоатомиздат, 2015. – 300 с.

2. Дуань Лиюн. Разработка и исследование квазирезонансных токоограничивающих устройств для линий электропередач: дис. ... канд. техн. наук: Санкт-Петербург, 2009. – 165 с.

3. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д. Применение токоограничивающих устройств в высоковольтных электрических сетях // Электро. – 2009. – №2. – С. 7 – 13

4. Илюшин П. В. Разработка и развитие принципов противоаварийного управления распределительными сетями мегаполиса: дис. ... канд. техн. наук: - Москва, 2011.- 173 с.

5. Особенности отключения токов коротких замыканий генераторов малой мощности // Релейшик. – 2014. – №4. – С. 8 – 13.

6. Сенько В.В. Электромеханические переходные процессы. Динамическая устойчивость: учеб. пособие. Тольятти: ТГУ, 2008. — 44 с.

7. Шуцкий В.И. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок: учеб. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 152 с.