автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений

у 4 / <9 0

7 / ' «у' "* *

Акционерное общество открытого типа Научно-исследовательский институт электроэнергетики

АО ВНИИЭ

На правах рукописи

Львов Юрий Николаевич

Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Оглавление

Введение 5

Глава 1. Постановка задач 17

1.1. Общие положения 17

1.2. Параметры, определяющие электродинамическую и 22 термическую стойкости автотрансформатора

1.3. Соотношение существующих уровней'сопротивлений 33 короткого замыкания автотрансформаторов и внешних сопротивлений сети энергосистем и их взаимосвязь

с токами короткого замыкания

1.4. Математическое моделирование переходных электро- 41

магнитных процессов в системах с автотрансформаторами

Глава 2. Методы расчета вероятностных характеристик токов 45 короткого замыкания в цепях автотрансформаторов

2.1. Статистический анализ кратностей токов короткого 45 замыкания в цепях автотрансформаторов 220-750 кВ

2.2. Расчет вероятностей наибольших мгновенных значений 67 тока короткого замыкания

2.3. Число коротких замыканий различной кратности тока в 121 цепях автотрансформаторов 220-750 кВ за срок их службы

Глава 3. Оценка вероятности допустимых значений сквозных 162 токов короткого замыкания для совокупности автотрансформаторов за срок их службы в сетях 220-750 кВ с использованием усовершенствованного волнового метода расчета переходных электромагнитных процессов

3.1. Усовершенствование волнового метода расчета переходных 162 электромагнитных процессов в электрических системах

3.2. Учет автотрансформаторов при расчете переходных токов 175 короткого замыкания волновым методом в электрических системах с распределенными параметрами

3.3. Расчет вероятности допустимых значений сквозных токов 199 короткого замыкания для совокупности автотрансформаторов за срок службы в сетях 220-750 кВ

Глава 4. Анализ путей снижения токов короткого замыкания 226 в автотрансформаторах

4.1. Влияние параметров сети на кратности токов короткого 226 замыкания в цепях автотрансформаторов

4.2. Влияние изменения сопротивления короткого замыкания 240 автотрансформатора на технико-экономические показатели работы электрической сети в нормальном режиме

4.3. Снижение числа опасных воздействий токов короткого 253 замыкания на обмотки автотрансформаторов 220-500 кВ

Заключение 263

Литература - 269

ПРИЛОЖЕНИЯ 285 Приложение 1

Справка по экономической эффективности мероприятий 286 по координации уровней токов короткого замыкания.

Приложение 2

Эффективность мероприятий по снижению числа опасных 300

воздействий токов КЗ на обмотки трансформаторов.

Приложение 3

Эффективность мероприятий по выбору сопротивления КЗ и нормированию токов КЗ трансформаторов.

303

Одной из проблем, связанных с развитием отечественной электроэнергетики, является рост токов короткого замыкания [1*4].. Актуальность работы определяется необходимостью обеспечить как в настоящее время, так и в перспективе высокую надежность работы силового электрооборудования, одной из существенных причин снижения которой является рост токов короткого замыкания в развивающихся сетях. Эти токи уже в настоящее время достигают таких уровней, при которых создание оборудования высокого напряжения связано со значительными техническими трудностями и требует больших материальных затрат.

Анализ опыта эксплуатации трансформаторного оборудования показывает относительно высокую уязвимость автотрансформаторов большой мощности, составляющих основную часть силового трансформаторного оборудования ЕЭС России, энергообъединений и энергосистем, к воздействию токов короткого замыкания. Так число автотрансформаторов в сетях 220 кВ и выше примерно в 4 раза больше числа повышающих трансформаторов. Условия их работы тяжелее, так как, в отличие от трансформаторов, автотрансформаторы имеют более низкие сопротивления короткого замыкания и присоединения не только со стороны высшего и низшего, но и среднего напряжений. Это определило выбор автотрансформатора в качестве основного объекта исследованйя в данной работе.

Рост токов короткого замыкания в развивающихся сетях энергосистем вызывает необходимость систематического пересмотра нормируемых показателей, определяющих требуемую стойкость автотрансформаторов к воздействию сквозных токов короткого

замыкания. В отечественной практике такими показателями являются: наибольшая допустимая кратность периодической составляющей тока основной частоты, наибольший допустимый ударный ток короткого замыкания, число контрольных испытаний с токами предельных кратностей, продолжительность короткого замыкания на выводах автотрансформатора. Эти показатели нормируются в стандартах или технических условиях для конкретных групп или типов автотрансформаторов. Уточнение таких показателей требует применения системного подхода для анализа режимов работы автотрансформаторов при коротких замыканиях с учетом динамики роста уровней токов короткого замыкания на различных этапах развития сетей при их планировании на период 25 - 30 лет, равный примерно сроку службы автотрансформатора.

Проблеме токов короткого замыкания, методам их определения и анализа в электрических сетях, а также вопросам нормирования допустимых сквозных токов короткого замыкания трансформаторов электросистем в литературе уделялось значительное внимание [1*33]. Согласно проведенному рассмотрению литературных источников по отдельным вопросам этой проблемы [13] наиболее существенный вклад внесен МЭИ, ВНИИЭ, Энергосетьпроект, ЛПИ и рядом других организаций.

Мало исследованными в системе методов и моделей расчета токов короткого замыкания как в отечественной электроэнергетике, так и за рубежом остаются проблемы, связанные"с изучением вероятностных характеристик токов короткого замыкания. Вопрос о целесообразности определения расчетных значений токов короткого замыкания при выборе аппаратуры и сборных шин по электродинамической и термической стойкости с учетом вероятности тяжелых коротких замыканий впервые был сформулирован И. А. Сыромятниковым [12]. Однако

вероятность возникновения тяжелых условий при коротких замыканиях должным образом не определялась. В предшествующих работах вероятностный подход к проблеме освещен в сравнительно слабой степени. Между тем, недостаточный учет вероятностных факторов может приводить к экономически неоправданным запасам ресурса вновь проектируемого оборудования. Поэтому возникает необходимость правильной оценки и учета вероятностных характеристик токов короткого замыкания, отражающих реальные режимы работы оборудования при определении расчетных условий для выбора аппаратов и проводников.

В [8*9] статистический подход для выбора конструктивных параметров электроустановок рассматривается как рациональный, однако указывается, что как в настоящее время так и в дальнейшем при формировании требований к электрооборудованию будут использованы детерминированные методы, ориентирующие его выбор по расчетным условиям, которые исходят из наиболее тяжелых режимов работы при коротких замыканиях. В значительной степени это определяется тем, что одна из важнейших тенденций развития мирового трансформаторостроения состоит в повышении надежности работы трансформаторов.

В настоящее время в отечественной практике расчетными условиями для выбора элемента электроустановки являются наиболее тяжелые, но достаточно вероятные режимы короткого замыкания. Из этого положения, сформулированного Б. Н.Неклепаевым в [10] и затем введенного в ГОСТ [И], следует, что при оценке условий работы электроустановки в режиме короткого замыкания необходимо использовать как детерминированные, так и вероятностные методы расчета. В данной работе выполнены разработки по совершенствованию методов и математических моделей вероятностных и детерминированных расче-

тов токов короткого замыкания. Это было необходимо для исследования условий работы автотрансформаторов в мощных энергообъединениях при коротких замыканиях. Разработка научно-методологических основ вероятностного анализа уровней сквозных токов короткого замыкания автотрасформаторов, определение тенденций их изменения при развитии крупных энергообъединений составляют основное содержание работы.

На основе установленных закономерностей формирования сквозных токов КЗ можно определить требования энергосистем к характеристикам вновь разрабатываемых автотрансформаторов и дать рекомендации по дальнейшей технической политике в области нормирования показателей автотрансформаторов, характеризующих их стойкость по отношению к воздействию токов КЗ.

Основное колическтво трансформаторного оборудования энергосистем России введено в эксплуатацию в 70-е годы и начале 80-х годов. Наиболее часто повреждаются трансформаторы, разработанные до 1970 г. из-за их недостаточной электродинамической стойкости по отношению к возросшим уровням токов КЗ. Проанализировать пути их уменьшения и разработать на этой основе рекомендации по технической политике в области ограничения этих токов необходимо в первую очередь при решении комплексной проблемы электродинамической стойкости обмоток длительно работающих трансформаторов.

Проблема обеспечения электродинамической стойкости обмоток мощных трансформаторов и автотрансформаторов непосредственно связана с соотношением существующих уровней их сопротивлений короткого замыкания и внешних по отношению к ним сопротивлений сети энергосистем. Последние определяют уровни мощностей

короткого замыкания в точках присоединения трансформаторов и автотрансформаторов.

В отечественной практике в последние годы разработчики и заводы-изготовители трансформаторов стремятся . повысить сопротивления короткого замыкания автотрансформаторов, в первую очередь для снижения уровней токов короткого замыкания и . электродинамических усилий в обмотках, а также их массогабаритных показателей.

В данной работе исследованы закономерности влияния изменения токов короткого замыкания автотрансформаторов на уровни токов короткого замыкания, потери мощности, 'уровни напряжений и технико-экономические показатели работы электрической сети в нормальном режиме работы.

Усилиями ряда авторов, а именно С.А. Ульянова, С.Б. Лосева, A.B. Чернина, Р.И. Караева, А.И. Долгинова и других созданы эффективные детерминированные методы расчета переходных электромагнитных процессов, с помощью которых можно определять токи и напряжения в сетях любой сложности и конфигурации при всех видах коммутаций в сети [14*16]. В данной работе получил дальнейшее развитие волновой метод расчета переходных электромагнитных процессов [18,21]. Связано это с тем, что исследуемые системы относятся, в основном, к категории линий электропередач с распределенными параметрами, в которых электромагнитные переходные процессы определяются в значительной степени волновыми процессами в линиях электропередачи, характеризующимися скачкообразными изменениями тока и напряжения. Однако в волновом методе в настоящее время отсутствует учет автотрансформатора как элемента системы.

Данная работа посвящена исследованию закономерностей изменения токов короткого замыкания автотрансформаторов энергосистем, что является составной частью проблемы повышения надежности и живучести ЕЭС России.

Цель работы - разработка методических основ и проведение анализа вероятностных характеристик возможных уровней сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и динамики их изменения в крупных энергообъединениях. Разработать на этой основе рекомендации по технической политике в областях ограничения этих токов и нормирования требований по стойкости по отношению к ним трансформатороного оборудования.

Исследование сквозных токов короткого замыкания автотрансформаторов и тенденций их изменения при развитии энергосистем связано с необходимостью решения таких задач, как разработка методик прогнозирования:

- максимальных допустимых значений кратностей токов короткого замыкания в обмотках автотрансформаторов энергосистем;

- среднего и максимального допустимого числа коротких замыканий различных кратностей тока короткого замыкания за срок службы автотрансформатора, а также для совокупности автотрансформаторов, установленных в сетях 220-750 кВ;

- появления наибольших допустимых мгновенных значений тока короткого замыкания в обмотках автотрансформаторов;

Кроме того, необходимо:

- уточнить аналитические и экспериментальные методы расчета переходных токов короткого замыкания в сетях с автотрансформаторами, использование для расчета экспериментальных и аналитических зависимостей параметров линий электропередачи, генераторов и

трансформаторов от частоты протекающего тока как наиболее полно отражающих особенности расчета переходных электромагнитных процессов при коротких замыканиях;

- сопоставить расчетные и экспериментальные значения токов короткого замыкания, при этом для исключения погрешностей трансформаторов тока осциллографирование переходного процесса в опытах коротких замыканий проводится с помощью шунтов;

- провести анализ путей снижения опасных воздействий токов КЗ в автотрансформаторах изменением сопротивления короткого замыкания автотрансформатора, а также внешних мероприятий.

Тема диссертации соответствует задачам Координационного плана "Токи короткого замыкания в энергосистемах. Координация и ограничение" на период 1995-1999 годы.

Для анализа сквозных токов короткого замыкания используются вероятностные методы исследования, методы теории цепей в сочетании с инженерными расчетами применительно к автотрансформаторам, а также моделирование переходных электромагнитных процессов на ЭВМ, обеспечивающие системный подход к проблеме.

Достоверность результатов основана на адекватности моделей и исследуемых процессов, подтвержденных экспериментальными данными, применении в моделях опробованных методов инженерных расчетов, а также решении одной и той же задачи различными методами и сопоставлении полученных при этом результатов.

На защиту выносятся:

1. Результаты статистического анализа материалов о токах короткого замыкания в цепях автотрансформаторов 220—750 кВ энергосистем; тенденции и закономерности изменения этих токов при раз-

витии крупных энергообъединений, из которых следует, что:

- частичные совокупности максимальных кратностей токов при коротких замыканиях на выводах автотрансформаторов для отдельных этапов развития сетей по годам принадлежат -одной и той же нормально распределенной общей совокупности; в области высоких значений максимальных кратностей токов короткого замыкания закон распределения отклоняется от нормального;

- при имеющих место тенденциях развития сетей мощных энергосистем напряжением 220-750 кВ России и Украины нет оснований ожидать в обозримые сроки существенного роста расчетных значений кратностей токов короткого замыкания; их значения остаются в пределах, допустимых по ГОСТ 11677-85.

2. Разработка на основе теории случайных функций методики для определения вероятностей наибольших значений токов короткого замыкания вэнергосистемах с автотрансформаторами. Оценены вероятности порядка 30-40% возникновения токов 0,95 от максимально возможных.

3. Повышение точности расчетов переходных токов короткого замыкания на основе экспериментально определенных частотных характеристик сопротивлений короткого замыкания автотрансформаторов, генераторов и линий.

4. Методика и результаты анализа числа коротких замыканий с заданными кратностями токов в цепях автотрансформаторов 220-250 кВ. Установление того, что расчетным случаем для определения таких токов является этап полного развития сети высшего напряжения. Определение на этой основе средних (ту и предельных (ав) чисел токов короткого замыкания различной кратности (к ) в

3А

автотрансформаторах 220-750 кВ за 25-летний срок службы. В

частности при к =1,0; 0,8; 0,6 соответственно N =3; 12; 45 и ав=8; 20; 58.

5. Новый подход к волновому методу расчета переходных электромагнитных процессов, заключающийся в записи уравнений узлов в виде уравнений в конечных разностях. Анализ погрешностей расчетов традиционным волновым методом, базирующемся на замещении реактивных элементов фиктивными линиями. Учет автотрансформаторов и зависимости параметров линий от частоты при расчетах переходных токов короткого замыкания в электрических системах волновым методом.

6. Оценка достоверности расчетов переходных эле