автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и разработка систем электроснабжения с глубоким ограничением токов короткого замыкания на основе тиристорных выключателей с искусственной коммутацией

Введение.

1. Устройства глубокого ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения, их свойства и краткие характеристики . /

1.1. Известные предложения по построению СЭ с глубоким токоограничением

1.2. Варианты построения систем электроснабжения с ТОУ на основе тиристорных КРУ . <У

1.2.1. Схемы и характеристики бесконтактных выключателей для построения СЭ с тиристор-ными КРУ

1.2.2. Система электроснабжения с головным ТВ и быстродействующими линейными выключателями . ¿

1.2.3. Система электроснабжения с тиристорным КРУ, обеспечивающим постоянство параметров контура ИК.

1.2.4. Система электроснабжения на основе тирис-торного КРУ с групповым блоком искусственной коммутации.

Увеличение единичной мощности электроприемников и промышленных предприятий в целом приводит к необходимости создания мощных систем электроснабжения (СЭ), что влечет за собой увеличение токов короткого замыкания (т.к.э.). Последнее, в свою очередь, требует принятия мер к их ограничению в СЭ промышленных предприятий и технологических установок.

Рекомендуемые в настоящее время мероприятия по ограничению т.к.з. и снижению последствий, связанных с действием токов короткого замыкания можно объединить в два основных направления:

- ограничение т.к.з. путем установки реакторов и трансформаторов с расщепленными обмотками /1,2/;

- применение выключателей с повышенной отключающей способностью /1,3,4/;

В СЭ особо ответственных электроприемников (ЭП) находит применение быстродействующая бесконтактная аппаратура при двух-трехкратном резервировании источников питания /5,.7/, однако, этот путь решения проблемы снижения последствий от действия т.к.з. сопряжен с большими затратами и может быть признан целесообразным для ограниченной группы ЭП малой мощности .

Применение реакторов и трансформаторов с расщепленными обмотками, а также выключателей с повышенной отключающей способностью влечет за собой ухудшение качества электроэнергии, увеличение потерь мощности в СЭ и снижение устойчивости двигательной нагрузки /4,8,9/.

Одним из возможных путей решения задачи ограничения т.к.з. и значительного снижения ущерба, связанного с короткими замыканиями в системах электроснабжения, является применение токоограничивающих устройств (ТОУ), характеризующихся резким увеличением сопротивления в цепи в момент возникновения тока к.з. К основным типам ТОУ можно отнести резонансные £ , С токоог-раничивающие устройства /9/, реакторно-тиристорные шиносоединительные ТОУ /10,.12/ и ТОУ с изменяемой схемой соединения питающих трансформаторов /13,.15/. Предложены и исследованы варианты СЭ с использованием ТОУ /8,9,16.20/.

Системы электроснабжения, содержащие шиносоединительные ТОУ, дают возможность существенно улучшить качество электроэнергии в нормальных режимах работы, однако обеспечивают ограничение т.к.з. в пределе до уровня, соответствующего раздельной работе шин. . Существенно более глубокое ограничение т.к.з. обеспечивают системы электроснабжения с изменяемой схемой соединения трансформаторов /20,21/. Однако применение их в сочетании с. существующей коммутационной аппаратурой характеризуется большой продолжительностью перерывов в электроснабжении на шинах распредустройства, где произошло к.з. и связано с перенапряжениями на остальных ЭП.

Все предложения рассмотрены на уровне теоретических исследований с экспериментальной проверкой основных процессов на макетах низкого напряжения и малой мощности. В работах не приведены результаты исследования электромагнитных процессов непосредственно в схемах реакторно-тиристорных ТОУ, - что не дает возможности в полной мере оценить параметры коммутирующих и прочих элементов ТОУ.

Целью настоящей работы является разработка СЗ с ТОУ на основе тиристорных выключателей с искусственной коммутацией, а также определение параметров элементов и исследование режимов работы тиристорных КРУ в системах электроснабжения.

В работе предложены варианты построения СЭ с глубоким ограничением токов к.з. в распределительных сетях б . 10 кВ и исследованы электромагнитные процессы при коммутации тока короткого замыкания тиристорными выключателями.

С целью практической реализации тиристорного КРУ 6.10кВ с искусственной коммутацией необходимо было решить все основные вопросы, связанные с разработкой высоковольтных бесконтактных распредустройетв: обосновать параметры элементов и исследовать электромагнитные процессы в СЭ с тиристорными КРУ, разработать основные узлы тиристорных выключателей и блока искусственной коммутации, выполнить экспериментальный образец напряжением б кВ и провести его всесторонние исследования и испытания в СЭ промышленных предприятий.

Решение таких вопросов, как разработка датчиков тока, определение параметров управляющих сигналов, разработка алгоритма работы системы управления и др. было найдено в результате продолжительных поисков и экспериментов, однако в диссертационной работе они отражены в виде тезисов, поскольку их решение не входит в основные задачи исследований.

Для успешного решения задач разработки СЭ с ТОУ на основе тиристорных КРУ с искусственной коммутацией в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

- произвести анализ электромагнитных процессов в СЭ с тиристорными выключателями и контуром искусственной коммутации (ТВИК) в режиме коммутации тока к.з. и определить параметры коммутирующих элементов тиристорного КРУ;

- выполнить исследование электромагнитных процессов при естественной коммутации тока удаленного к.з. и определить основные свойства и характеристики тиристорного КРУ;

- разработать основные узлы и элементы тиристорного КРУ высокого напряжения.

При решении задач определения параметров элементов устройств искусственной коммутации (ИК) использовались численные методы решения систем дифференциальных уравнений на интервалах линейности коэффициентов с использованием ЭВМ.

Расчет режимов естественной коммутации осуществлялся упрощенными методами с применением аналитических решений дифференциальных уравнений в предположении постоянства угловой скорости асинхронных двигателей в интервале времени до 15 миллисекунд после момента к.з. с использованием ЭВМ.

Определение параметров нелинейного дросселя и расчет электромеханических процессов в режиме быстродействующего повторного включения осуществлялись путем численного решения систем .нелинейных дифференциальных уравнений на ЭВМ.

Для всех расчетов были разработаны соответствующие программы и выполнены расчеты процессов на ЭВМ "Мир 2" и ЕС 1022.

Достоверность расчетов подтверждена экспериментальными исследованиями на физических моделях, созданных для этой цели, а также с применением экспериментального образца тиристорного КРУ б кВ, выполненного по программе хоздоговорной работы.

Диссертация состоит из 5 глав, сопровождающихся выводами.

В первой главе приведен обзор исследований, выполненных в области, соответствующей направлению диссертационной работы и изложены новые варианты построения СЭ с глубоким ограничением т.к. з-. на основе тиристорных выключателей с искусственной коммутацией.

Во второй главе дано обоснование схемы замещения вариантов построения КРУ на основе тиристорных выключателей с искусственной коммутацией (ТВИК), разработана методика расчета электромагнитных процессов в СЭ с ТВИК в режиме к.з., определены основные параметры элементов КРУ и построены характеристики системы электроснабжения с КРУ в режимах глубокого токоограничения. Разработана методика определения параметров шинных конструкций КРУ и приведены результаты расчета индуктивности шин распредуст-ройства.

В' третьей главе представлены результаты исследования электромагнитных процессов при включении коммутирующих тиристоров и разработаны устройства для ограничения скорости нарастания тока в начальный период их включения, а также построены расчетные характеристики дросселя для ограничения, ф и приведены результаты экспериментальных исследований процессов при включении коммутирующих тиристоров.

В четвертой главе рассмотрены процессы естественной коммутации тока удаленного к.з. в СЭ с тиристорными КРУ, содержащей асинхронные двигатели и компенсирующие устройства.

В пятой главе приведены технико-экономические характеристики СЭ с КРУ на основе тиристорных выключателей Ь искусственной коммутацией и даны рекомендации для конструктивного исполнения основных узлов распредустро.йства напряжением б кВ.

Основные положения диссертационной работы отражены в трех авторских свидетельствах /22,23,24/ и двух статьях /25,26/.

По материалам диссертации были представлены доклады на первой сессии Всесоюзного семинара "Промышленные электрические сети и их нагрузки" в г. Новочеркасске в 1979 г., четвертой сессии Всесоюзного научного семинара "Электроснабжение промышленных предприятий" в г.Киеве в 1982 г., на научно-технических конференциях ВПЙ в 1976-1982 г.г., в Лен ПЭО ВНИИ' "Проектэлек-тромонтаж" (1977-1982), на семинаре энергетических служб Соко-ловско-Сорбайского ГОК (1979, 1983). Материалы диссертации демонстрировались на Всероссийской выставке научно-исследовательских работ ВУЗов в 1980 г. в г. Владимире.

Результаты исследований представлены в Лен ПЭО ВНИИ "Про-ектэлектромонтаж" в виде разработки опытного образца КРУ с групповым блоком ИК и отражены в постановлении Гос.Комитета Науки и Техники СМ СССР о промышленном освоении быстродействующих тиристорных выключателей.

Широкие возможности, открывающиеся с внедрением КРУ на основе ТВИК, связаны с многофункциональностью тиристорных выключателей, представляющих возможность соединить в одном аппарате пускорегулирующие и коммутирующие свойства.

I. УСТРОЙСТВА ГЛУБОКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ИХ СВОЙСТВА И КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1. Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий (СН 174-75). М., Стройиздат, 1976.

2. Нормы технологического проектирования понижающих подстанций с высшим напряжением 35-750 кВ (Вторая редакция), Энергосетьпроект, Энергонот ОРГРЭС, M., 1973.

3. Либерзон Э.М., Шпигель В.М. Новое электрооборудование для электроснабжения промышленных предприятий. В кн. Проектирование} и эксплуатация: систем, электроснабжения. Московский. Лом НТП им. Ф.Э.Дзержинского, М.„ 1978, 179-184 с.

4. Справочник, по,, проектированию электроснабжения. Под. ред. В.И.Купревича,. Ю.Г.Барыбйна, М.Л.Сановера., 3-е изд., пере>-раб. и доп., М., Энергия, 1980, 456 с.,, ил.

5. Ковалев Ф.И'., Поскробко A.A., Родосский Г.А. и др. Унифицированная серия статических преобразователей мощт-ностью до .100 кВА для агрегатов .бесперебойного , питания. -Электротехническая промышленность. Преобразовательная тех, ника, № 4, 1978, 19-23 с.

6. Выпрямительно-инверторный агрегат гарантированного)- питания АГГГ-ВН. Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника, вып. 3, 1978, 15-16 с.

7. Устройства электроснабжения РРС . . Казаринов.H.A., Элингтон М.М., Любский Г.С. и др. Инженерно-технический, справочник: по электросвязи. ТомУстройства электроснабжения. M., 1976, 590 е., ил.

8. Весело® А.Е. Повышение устойчивости; двигательной нагрузкипри использовании в системах электроснабжения бесконтактных токоограничивающих и коммутирующих устройств. Диссертация канд.техн.наук, Ленинград, 1980, 249 е., ил.

9. Неклепаев Б.Н. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. М., Энергия, 1978, 152 е., ил.

10. A.c. 353349 (СССР). Устройство для коммутации и регулирования переменного тока (Ленинградский политехнический институт, авт. изобр. Л.А.Кучумов, В.Д.Латышко). Опубликовано в Б.И., 1970, № 28.

11. A.c. 620021 (СССР). Токоограничивающее и коммутирующее устройство (Ленинградский политехнический институт, авт. изобр. Л.А.Кучумов). Опубл. в Б.И., 1978, №30.

12. A.c. 279761 (СССР). Устройство для ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях (Ленинградский политехнический институт, авт.изобр. Л.А.Кучумов, В.Д.Латышко). Опубл. в Б.И., 1970, № 27.

13. A.c. 875532 (СССР). Устройство для электроснабжения переменным током (Ленинградский политехнический институт, авт.изобр. Л.А.Кучумов, А.И.Баташов). Опубл. в Б.И., 1981, №39.

14. A.c. 920956 (СССР). Устройство для распределения электрической энергии переменным током (Ленинградский политехнический институт, авт.изобр. Л.А.Кучумов, А.И.Баташов). Опубл. в Б.И. 1982, № 14.

15. Кучумов Л.А. О путях преодоления противоречивых требований повышения качества электрической энергии и уменьшения уровней токов короткого замыкания. Проблемы технической электродинамики, 1977, вып. 64, с. 61-63.

16. Кучумов Л.А., Утегулов Н.И. Применение в распределительных электрических сетях сдвоенных реакторов в сочетании с то-, коограничивающими устройствами. Электричество, 1976, № 12, с. 8-16.

17. Утегулов Н.И. Исследование и разработка реакторно-тирис-торных токоограничивающих и коммутирующих устройств для. распределительных электрических сетей. Диссертация канд. техн. наук. Ленинград, 1976, 233 с.

18. A.c. I0209I6 (СССР). Устройство электроснабжения. (Вологодский политехнический институт, авт. изобр. Воробьев В.А.). Опубл. в Б.И., 1983, № 20.

19. Воробьев В.А. Исследование работы тиристорного выключателя в режиме короткого замыкания. Сборник трудов ЛИИЖТа, вып. 315, Л , 1970, с. 82-90.

20. Рубашов Г.М., Альперович В.Р., Воробьев В.А., Кушнерев A.A. Высоковольтный токоограничивающий тиристорный выключатель. Промышленная энергетика, № 5, 1980, с. 36-38

21. Черновец А.К. Теория и методы исследования переходных процессов в системах электроснабжения атомных электростанций. Диссертация докт.техн.наук. Ленинград, 1978, 298с.

22. Дорожко Л.И., Либкинд М.С. Реакторы с поперечным подмагни-чиванием. М., Энергия, 1977, 176 е., ил.

23. Могилевский Г.В., Райнин В.Е., Гребенник В.И. Полупроводниковые аппараты защиты. М., "Энергия", I960, 167с., ил.

24. Рабинерсон A.A., Ашкинази Г.А., Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. М., 1976, 296с., ил.

25. Бывшев В.В., Орехов . Устройство принудительной коммутации тиристоров в многофазных системах переменного тока. Электротехническая промышленность. Аппараты низкого напряжения, 1977, № 6, 3-5с.

26. Отчет по НИР. Исследование коммутационных процессов в схеме статического распределительного устройства высокого напряжения. Гос. per. № 78040284, Вологда, ВПИ, 1979.

27. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Под редакцией A.A. Федорова и Г.В. Сербиновского, т. I, М., "Энергия", 1973, 520с., ил.

28. Тиристоры (технический справочник). Перевод с англ. под ред. В.А.Лабунцова, М., "Энергия", 1971, 560с., ил.

29. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы (справочник), М., "Энергия", 1975, 512с.с ил.

30. Понгровский В.Е. Анализ электромагнитных процессов в тирис-торных выключателях переменного, тока. Труды ВНИИ ПЭМ, вып.2, М., "Энергия", 1975, с. II3-I30.

31. Марьяновский Д.И., Иванова .М.И.,. Ленда Г.А. Исследование автономных однофазных инверторов тока. "Электричество", № I, 1970, с. 66-72.45. ¡Wfa 3). CD¿y¿/a& SM¿/&/¿¿/? S/?0/»t/c//tt S/e&pAec/etfi. „ И/Sss. z. TecÁn.fa'Wfsv2.Zesc/e/j * //.<?, /Я/, x

32. Еаквалов H.C. Численные методы. M., "Наука", 1973, 213 с.

33. Хемминг Р.В. Численные методы, пер. с англ. М., "Наука", 1968, 398 с.

34. Электронная вычислительная машина "Мир-2". Книга П. Входной язык. Набор программ. Киев, 1975.

35. Электрическая часть станций и подстанций,. под ред. Б.Н.Нек-лепаева. М., "Энергия", 1972, 336 с. с ил.

36. Электротехнический справочник, изд. 4, под редакциейП.Г.ГрудинскогО' и др., т. I, кн. I, М., "Энергия", 1971, 528 с.

37. Коротков Б.А. Математическое моделирование1 мостовых преобразователей. Л., изв. НИИПТ, 1970, $ 16, с. 54-66.

38. Динсур Д.П. Метод моделирования на.ЦВМ вентильных преобразовательных схем. Изв. НИИПТ, 1970, № 16, с. 46- 53.

39. Русских A.A. Определение параметров дросселей насыщения,ограничивающих sU тиристоров. "Труды ВНИИЭМ. Силовая поdiлупроводниковая техника", вып. б, М., ВНИИЭМ, 1967, с.23-30.

40. Мосткова Г.П., Болдырев Е.А., Пырков В.В. Определение параметров насыщающихся реакторов для тиристорных преобразователей. "Электротехническая промышленность. Сер. "Преобразовательная техника". 1970, вып. 12.

41. Карасев В.В., Кубарев Л.П. Расчет потерь и тока перемагни-чивания в задерживающих насыщающихся реакторах. "Электротехническая промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1972, вып. б (30), с. 18-21.

42. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. Изд. 2, переработанное, М., "Энергия", 1974, 240 е., ил.

43. Крюкова H.H., Лебедева М.Ю., Чикилевская H.A. Силовое полупроводниковое приборостроение за рубежом. "Электротехническая промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. 7 (135), с. 20-25.

44. Мощные тиристоры на напряжение 4 кВ и ток 3000 А. Реферативный журнал "Электротехника и энергетика", 1979.

45. Расчет силовых полупроводниковых приборов. Под ред. В.А. Кузьмина, М., "Энергия", 1980, 185с.

46. Дерменжи П.Г. и др. Экспериментальные исследования начального этапа нарастания тока через тиристор при включении.Электротехническая промышленность"; Сер; "Преобразовательная техника", 1981, вып. б (134), с. 1-3.

47. Синегуб Г.А., Шпер В.Л. Исследование J^ стойкости,силовых тиристоров. "Электротехническая промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. I (79), с. 12-16.

48. Григорьева Г.В., Челиков Ю.А. Влияние режима нагрузки, на процесс распространения проводящего сечения в структуре, мощных высоковольтных тиристоров. "Электротехническая про-, мышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. 7 (135), с. 4-6.

49. Глушков Е.Ф., Куземин А.И., Переходные вольтамперные характеристики: распространения включенного состояния тиристоров и их нагрузочная способность."Электротехническая. промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. 8 (136) с. 7-8.

50. Иванов В,А., Кондаков ГО.А., Рожкова H.H., Стойкость тиристоров ки.надежность их работы. "Электротехническая промышленность". Сер.,"Преобразовательная техника", 1981, вып. 8 (136), с.26-31.

51. Вольдек А.И. Электрические машины. JI.t 1974, 839 с., ил.

52. Литвак Л.В.Рациональная.компенсация реактивных, нагрузокна промышленных предприятия*. М.-Л., 1963, 256 с. с ил.

53. Герасимов С.Е., Масленников В.А., Смоловик. C.B. Исследование влияния параметров асинхронных двигателей на электромеханические и электро-магнитные переходные: процессы. Труды ЛПИ, № 380, Л., 1981, с. 18-21.

54. Гинзбург С.Г. Методы решения задач по.переходным процессам в электрических цепях, М., 1967, 387 с. с ил.

55. Электрическая часть электростанций, под ред. С.В.Усова, JI., 1977 , 556 е., ил.

56. Сипайлов Г.Н., JIooc A.B. Математическое моделирование электрических машин (ABM). М., 1980, 176 е., ил.

57. Листки-каталоги 1980 года. "Электротехническая промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. 6 (134), 19-20 с.

58. Крюкова H.H., Лебедева М.Ю., Чикилевская H.A. Силовие полупроводниковое приборостроение за рубежом. "Электротехническая промышленность". Сер. "Преобразовательная техника", 1981, вып. 7 (135), 20-25 с.

59. Будкин.Л.Г., Вальнов К.Д., Халимов Ф.Х.Исследование внутренних перенапряжений на выводах крупных генераторов. Электрические станции, № 5, 1977, 15-18 с.

60. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей. М., 1970, 152 е., ил.

61. Соколов С.Д., Фирсова.Л.Д., Руднев В.Н. . . Полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций. М., 1968, III е., ил.

62. Силовая электроника. Примеры и расчеты. Перевод с англ. М., 1982, 384 е., ил.

63. Васгора Ю.Ф., Евдокунин Г.А.Режимы работы нелинейных, ограничителей.перенапряжений в кабельных сетях собственных нужд электростанций. Труды ЛПЙ,

64. Переходные процессы и условия работы оборудования электрических систем. JT., 1981, 44-49 с.

65. Электротехнический справочник, под ред. П.Г.Грудинского, М., 1971, 880 е., ил.

66. Кукеков Г.А., Васерина, К.Н., Лунин. В.П. Полупроводниковые электрические аппараты. Учебное: пособие. Л., 1981, 72 е., ил.

67. Скаржепа В;.А., Морозов A.A., Устройства автоматики на тиристорах. Киев, 1974, 224 е., ил.

68. Поскррбко. A. A., Братолгоб.рв. В.Б. Бесконтактные коммутирующие и регулирующие., полупррводниковые устройства на переменном токе. М., 1978, 190 е., ил.ПРОГРАММА