№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.314
1 2 © 2013 г. БРИЛИНСКИИ А.С. , ЕВДОКУНИН Г.А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ СВОЙСТВ РЕАКТОРА, УПРАВЛЯЕМОГО ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ
Исследована возможность применения в сетях 110 кВ токоограничивающих устройств, использующих эффект насыщения стали их магнитопровода. Разработана компьютерная модель устройства, описан принцип его действия и проведен анализ его токоограничивающих свойств.
Введение. Надежность функционирования систем электроснабжения непосредственно зависит от безотказной работы установленного в них коммутационного оборудования. Повышение надежности работы систем электроснабжения имеет первостепенное значение.
В современной энергетике существуют проблемы ограничения токов короткого замыкания (КЗ), значения которых, без принятия дополнительных мер по их ограничению, могут заметно превысить отключающую способность установленных выключателей. При этом мероприятия, направленные на снижение уровня тока КЗ, могут приводить к значительному снижению надежности работы сети, усложнению алгоритмов работы противоаварийной автоматики (стационарное и автоматическое деление сети), к снижению 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 большей величиной отключающей способности, однако, следует отметить, что замена существующей коммутационной аппаратуры не всегда технически реализуема ввиду ограниченности места на подстанциях. 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 при сохранении или повышении уровня надежности работы сети.
В конце 2013 г. в энергосистеме Санкт-Петербурга и Ленинградской обл. планируется проложить и ввести в эксплуатацию две новые кабельные линии (КЛ) 110 кВ между подстанциями № 1 и № 2 для разгрузки существующего двухцепного транзита между ними, образованного воздушными линиями электропередачи (ВЛ). Индуктивная электрическая схема замещения описанного участка транзита приведена на рис. 1.
Ввиду того, что погонное индуктивное сопротивление КЛ примерно в четыре раза меньше погонного индуктивного сопротивления ВЛ, значительная часть мощности в направлении ПС № 2 будет передаваться по кабельным линиям, что в ряде послеава-рийных схем приведет к их токовой перегрузке. Ввод в эксплуатацию двух новых КЛ приведет к росту уровня токов КЗ на шинах ПС № 2, величина которого превысит номинальный ток отключения установленных в настоящее время выключателей.
Научно-технический центр Единой энергетической системы (НТЦ ЕЭС), Санкт-Петербург.
2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ).
X = 3,39 Ом ПС № 4
X = 1,63 Ом
к ПС 330/110 кВ_|
I = 42 кА С
X = 3,68 Ом
X = 1,58 Ом X = 1,33 Ом
2,
7 ПС № 5 ПС № 6
]ПС № 2 P + jQ
14,9
X = 0,77 Ом ПС № 3 X = 0,77 Ом _rrm ^ | ^ г>г>г>г\_
X = 0,77 Ом
X = 0,77 Ом
_Г>ГУ>Г\_
ПС 330/110 кВ № 1
I 14,9 - направление и
действующее значение тока подпитки при КЗ на шинах ПС № 2, кА
Рис. 1. Схема замещения участка транзита 110 кВ
В результате проведенных расчетов было установлено, что для принудительного распределения потоков мощности по кабельным и воздушным линиям электропередачи необходимо выполнить установку последовательно с КЛ токоограничивающих устройств с индуктивным сопротивлением ~4 Ом. Для ограничения токов КЗ требуется установка устройств с величиной индуктивного сопротивления не менее 8 Ом. Из сказанного следует, что при вводе в эксплуатацию новых КЛ возможно будет целесообразным использование токоограничивающих устройств с переменным индуктивным сопротивлением, значение которого в данном случае должно изменяться от 4 Ом в нормальном режиме работы до 8 Ом в режиме КЗ. Для решения поставленной задачи предлагается установка токоограничивающих устройств, использующих эффект насыщения магнитопровода (МТОУ).
Подобный принцип работы токоограничивающего устройства без уточнения конструкции его магнитопровода был запатентован в 1965 г. [1]. В патенте [2] были рассмотрены различные конструкции магнитопровода, насыщаемые постоянным магнитом, который в патенте [3] был заменен управляемым источником постоянного напряжения. В 2007 г. А.М. Брянцев и А.И. Лурье запатентовали устройство ограничения тока КЗ с двумя круглыми в сечении полустержнями [4], на которых размещены сетевые обмотки и обмотка управления, изменяющая величину тока намагничивания при КЗ.
1. Конструкция и принцип действия устройства
Упрощенная конструкция однофазного МТОУ приведена на рис. 2. МТОУ имеет магнитную систему, состоящую из двух стержней (1) (двух "полустержней"), верхнего (2) и нижнего (3) горизонтальных ярем и двух боковых ярем (4). Сетевые обмотки (СО) (5) размещены на стержнях и соединены согласно и последовательно. Обмотка управления (ОУ) (6) охватывает два соседних стержня с сетевыми обмотками и подключена к управляемому источнику постоянного напряжения.
Постоянный по направлению поток обмотки управления создает постоянное магнитное поле, насыщающее оба полустержня. В нормальном режиме работы величина переменного магнитного потока, создаваемого сетевыми обмотками, мала по сравнению с постоянным магнитным потоком, сердечник остается насыщенным, и индуктивное сопротивление устройства низкое. При КЗ величина переменного магнитного потока достаточна, чтобы вывести сердечник из насыщения, и индуктивное сопротивление сетевой обмотки увеличивается, ограничивая ток КЗ до требуемой величины.
2. Методика моделирования
Расчеты переходных процессов в электрических цепях с учетом магнитных характеристик магнитопроводов из электротехнической стали могут быть выполнены на основе применения схем замещения магнитных цепей. При этом расчеты магнитных цепей на каждом шаге интегрирования выполняются аналогично расчетам в электрических цепях на основании аналогии законов, связывающих электрические (напряже-
Рис. 2. Упрощенная конструкция МТОУ
Рис. 3. Поперечное сечение устройства
ние и ток сетевых обмоток и обмотки управления) и магнитные (основные потоки и потоки рассеяния, магнитные сопротивления) величины [5].
Если выполнить разрез магнитопровода и обмоток в центральном сечении, получим плоское изображение магнитной системы устройства (рис. 3).
Магнитная цепь задается узлами и наиболее важными путями (ветвями) распределения магнитного потока, которые должны аппроксимировать картину магнитного поля в соответствии с физическим представлением о ней. Характерные точки (узлы) магнитной системы пронумерованы от 1 до 4. Из рис. 3 видно, что имеются шесть основных магнитных путей для потоков Ф12, Ф4с, Ф21, Ф3с, Ф1с, Ф2с.
В МТОУ, как и в управляемых подмагничиванием электрических шунтирующих реакторах, нормальным рабочим режимом является режим глубокого насыщения стали магнитопровода, что делает необходимым правильный учет магнитных путей рассеяния. Показанным на рис. 3 магнитным путям вне магнитопровода соответствуют следующие потоки рассеяния: Ф51аЛ Фs2ad — потоки рассеяния в воздушных цилиндрах
Рис. 4. Схема замещения магнитных цепей устройства
между обмотками СО и обмоткой ОУ; Ф^а, Ф^а — потоки рассеяния в воздушных цилиндрах между СО и стержнями; Ф^2, Фш, Ф^с, Ф^ — потоки рассеяния, замыкающиеся в воздушном промежутке вне магнитопровода МТОУ. Поэтому магнитная цепь однофазного МТОУ может быть представлена в виде схемы замещения, приведенной на рис. 4.
Схема замещения включает в себя линейные (индекс s) и нелинейные магнитные сопротивления. Индексы у магнитных сопротивлений те же, что и у соответствующих потоков. Линейные магнитные сопротивления Rs1a, Rs2a, Rs1ad, Rs2ad характеризуют пути замыкания магнитных потоков рассеяния по воздуху и могут быть вычислены при известных значениях длины и сечения S /-го воздушного цилиндра при допущении постоянства значений индукции и напряженности магнитного поля вдоль участка цепи [5].
Нелинейные магнитные сопротивления характеризуют пути замыкания магнитных потоков в элементах магнитопровода (в стержнях, верхних, нижних и боковых ярмах). Значения нелинейных магнитных сопротивлений также определяются по известным значениям длины и сечения Si i-го стального участка магнитопровода, однако вследствие нелинейной характеристики намагничивания электротехнической стали В = f(H) абсолютная магнитная проницаемость материала магнитопровода Ф const, и для вычисления магнитных сопротивлений используют дифференциальную магнитную проницаемость ца = дВ/дН. Дифференциальная магнитная проницаемость определяется по заданной характеристике материала магнитопровода В = /(H). Таким образом, значения нелинейных магнитных сопротивлений должны вычисляться на каждом шаге расчета по известной заданной аппроксимации основной ветви кривой намагничивания.
Для схемы рис. 4, согласно первому и второму законам Кирхгофа, могут быть составлены системы уравнений.
По первому закону Кирхгофа имеем q — 1 = 3 уравнений, где q — число узлов расчетной схемы замещения:
Ф53с + Фэс + ФПай + Ф&а + Фк - Ф^12 - Ф12 = 0;
-Ф54с - Ф4с + Ф$2ай + Ф52а + Ф2с + Ф512 + Ф12 = 0 ; -Ф21 - Ф521 - Ф2с - Ф52а - Ф52ай + Ф4С + Ф54с = 0.
По второму закону Кирхгофа имеем р — q + 1 = 11 уравнений, где q — число узлов расчетной схемы замещения, р — число ветвей расчетной схемы замещения:
Н53с ' 153с - Н3с ■ 1зс = 0; Н54с '154с - Н4с ' 14с = 0; Н3с ' ¡3с - Н51ай ' ¡51ай = ;
Н4с ' 14с - Н52а4 ' ¡52ай = ;
ТТ _ 1 — ТТ _ 1 = .
^ 51ай ' ^51ай 51а'151а 1 а>
Н52ай ' ^52ай — Н52а ' 152а = Ра; Т512 ' ¡512 - Н12 ' ¡12 = 0; Т521 ' ¡521 - Н21 ' ¡21 = 0; Т51а ' ¡51а - Н1с ' 11с = 0; Н52а ' ¡52а - Н2с ' ¡2с = 0;
Н1с ' 11с + Н12 ' ¡12 - Н2с ' ¡2с + Н21 ' ¡21 = 2 ' Ра.
(2)
Системы уравнений (1) и (2) должны быть дополнены уравнениями для электрической цепи и решаться совместно. Уравнение сетевой обмотки (СО):
А исо - ¡со-^со + ^с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.