автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Ограничение токов короткого замыкания делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы

084603412

На правах рукописи

Игнатов Василий Витал[,епич

ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДЕЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ НА РЕЖИМЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ИЮН 2010

Москва, 2010 г.

004603412

Работа выполнена на кафедре электрических станций Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (Технический университет)»

Ведущая организация:

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Шунтов Андрей Вячеславович Доктор технических наук, профессор Зеленохат Николай Иосифович Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Коротков Владимир Александрович ОАО «Институт «Энергосетьпроект», г. Москва

Защита состоится «» ьим-о^ 2010 г. в аудитории Г-200 в (%

часов <£>р минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (Технический университет)» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17,2 этаж, корпус «Г».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «МЭИ (ТУ)».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МЭИ (ТУ)».

Автореферат разослан « ¡У» еЛ _2010 г.

/ Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.(

к.т.н., доцент

Берднкк Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи исследования.

В сетях различного напряжения электроэнергетических систем (сокращенно - энергосистем, систем) уровень токов короткого замыкания (КЗ) в той или иной степени непрерывно возрастает. При этом требования к электрическим аппаратам, проводникам, силовым (авто)трансформаторам и конструкциям распределительных устройств (РУ) с позиций токов КЗ становятся все более жесткими. Проблема особенно актуальна в густонаселенных промышленно развитых регионах, где уровень электропотребления в обозримой перспективе может значительно возрасти. В таких условиях существует необходимость глубокого ограничения токов КЗ в узлах электрических сетей 110 кВ и выше энергосистем.

Для ограничения токов КЗ на электростанциях и в сетях энергосистем используются: схемные решения, стационарное (СДС) или автоматическое (АДС) деление сети, токоограничивающие устройства, оптимизация режима заземления нейтралей электрических сетей. Теоретические основы указанных методов были заложены еще во второй половине XX века (В.В. Ершевич, М.С. Либкинд, Б.Н. Неклепаев, С.С. Рокотян и др.). В работах последних лет было обосновано (Б.Н. Неклепаев, К.В. Мозгалев), что в развитых электрических сетях 110кВ и выше одним из основных и наиболее эффективных мероприятий оказывается СДС. В качестве примера приводится опыт энергосистемы Московского региона, где примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов 110-220 кВ (шин электростанций и подстанций) подвергнуто СДС на шиносоединительных, секционных и линейных выключателях (всего более 100 точек стационарного деления). Благодаря этому токи КЗ в указанных сетях находятся на уровне 30-40 кА, а не 130-140 кА (110 кВ) и 70-80 кА (220 кВ) при отсутствии деления.

В указанных работах отмечено отрицательное влияние СДС на надежность и экономичность режимов работы энергосистемы. Причина кроется в увеличении результирующего эквивалентного сопротивления сетей относительно рассматриваемых энергоузлов (снижение жесткости сетей), а так же в нарушении естественного потокораспределения активной мощности (приводит к возрастанию потерь мощности и электроэнергии в сетях). Однако аргументация здесь во многом носит качественный характер и не подтверждается количественными показателями.

В последние годы в России наметилась тенденция к «отпусканию» уровней токов КЗ в электрических сетях. Последнее вынуждает на вновь вводимых электросетевых объектах устанавливать оборудование на максимально возможный ток КЗ 63 кА. Такое оборудование в нашей стране практически не производится. Подобная техническая политика позволяет загружать лишь зарубежные электро-аппаратостроительные заводы. При этом оказывается, что и в зарубежных энергосистемах рассматриваемое оборудование практически не находит применения и поэтому его производство является эксклюзивным и требует больших финансовых и временных затрат.

Таким образом, существо научно-технической задачи, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в оценке комплексного влияния ограничения токов КЗ делением электрических сетей на режимы энергосистемы с учетом ее реальной структуры и параметров. Получаемые при этом рекомендации предназначены для принятия решений, как при текущей эксплуатации, так и на перспективу.

Цели работы и задачи исследования.

Цель работы заключается в разработке теоретических и практических положений, связанных с исследованием комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценки его влияния на режимы энергосистемы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- выявлены закономерности, дающие оценку влияния ограничения уровней токов КЗ путем СДС на надежность и экономичность режимов работы одной из крупнейших региональных энергосистем страны;

- установлены причинно-следственные связи, когда развитые электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счет различных схемных решений при проектировании энергосистем;

- уточнены рекомендации по выбору методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше энергосистем.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами вычислительного эксперимента на математических моделях, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций, электрических сетей, энергосистем) на современном этапе.

Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных рекомендаций, связанных с комплексной оценкой эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей в условиях различной структуры и параметров реальной энергосистемы.

Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся при использовании основных методов ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования и эксплуатации в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны. Такая концепция реализована впервые. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ СДС, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы.

2. Доказано, что электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки для стабилизации уровней токов КЗ приоритетно использовать принципы продольного и поперечного разделения сетей, предложенные проф. Б.Н. Неклепаевым.

3. Обосновано на примере конкретной энергосистемы, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ энергосистем страны.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение комплексного подхода для оценки эффективности ограничения уровней токов КЗ стационарным делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.

2. Оценка эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ.

3. Причинно-следственные связи в структуре и параметрах энергосистем при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ.

Апробация работы.

По результатам исследований сделаны доклады на следующих семинарах конференциях: 79-м и 80-м международных семинарах им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007; Иркутск, 2008); 13-й, 14-й и 15-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2008), а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журналах «Известия РАН. Энергетика» (2009), «Электрические станции» (2007, 2008), Вестник

ИГЭУ (2005) и в трудах четырех конференций и семинаров. Количество публикаций по теме диссертации составляет восемь печатных работ, из них четыре в изданиях по списку ВАК.

Объем и структура работы.

Диссертация содержит 107 страниц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ. Во введении показано, что максимально допустимый уровень токов КЗ в сетях различного напряжения - важная технико-экономическая характеристика энергосистем. Обосновано, что до сих пор недостаточно исследована комплексная эффективность ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы. Поставлены цели и задачи исследования.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. УРОВНИ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ИХ ОГРАНИЧЕНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Дан сравнительный анализ уровней токов КЗ, интегральных параметров электрических сетей и энергопотребления в Московском регионе за последние 30 лет. Выполнен анализ публикаций по методам и средствам ограничения уровней токов КЗ, опыту их использования, а также их эффективности в условиях развитых энергосистем в нашей стране и за рубежом. Выявлено, что до сих пор не проводилась комплексная оценка влияния наиболее эффективных методов и средств ограничения токов КЗ на надежность и экономичность режимов работы энергосистемы. Выполнена общая постановка задачи. Обоснована актуальность продолжения развития работ, связанных с оценкой изменения условий работы электрических сетей при различных методах ограничения уровней токов КЗ с учетом факторов надежности и экономичности.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА РЕЖИМЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Для комплексной оценки влияния ограничения токов КЗ СДС на надежность и экономичность режимов работы энергосистемы широко использовался вычислительный эксперимент. Изложены основные критерии, которым должна удовлетворять математическая модель для вычислительного эксперимента, а именно: иметь подробную расчетную схему замещения энергосистемы, параметры элементов схемы замещения должны соответствовать реально установленным оборудованию, алгоритмы расчета должны иметь длительный опыт эксплуатации.

При проведении вычислительного эксперимента использована нормальная схема электрических сетей 110-500 кВ на максимум нагрузки энергосистемы Московского региона, где проблема ограничения уровней токов КЗ остро стоит на протяжении многих десятилетий. Оценка параметров установившегося режима и переходных процессов выполнялась для существующей нормальной схемы при использовании СДС и без него. При этом анализу подвергались токи КЗ в узлах электрических сетей 110 кВ (958 шт.), 220 кВ (204 шт.) и 500 кВ (19 шт.); перето-

ки активной мощности в линиях 110 кВ (973 шт.), 220 кВ (194 шт.) и 500 кВ(25 шт.); параметры режимов работы генераторов электростанций (152 шт.).

Для решения поставленной задачи использовался программный комплекс, разработанный в Информационно-вычислительном центре - филиале ОАО «Мосэнерго». Рассмотрены структуры и особенности используемых математических моделей при расчетах токов КЗ, установившихся режимов и электромеханических переходных процессов, а также допущения и расчетные условия вычислительного эксперимента. В определенной мере они являлись типичными, хорошо известными. Так, модель для расчетов токов КЗ (действующее значение периодической составляющей тока в начальный момент времени) основана на использовании уравнений узловых потенциалов. Выполняется наложение предшествующего режима и аварийного, обусловленного КЗ. Формируемая система линейных алгебраических уравнений решается методом последовательных исключений.

Математическая модель установившегося режима представлена традиционной системой уравнений баланса мощностей в каждом узле схемы (система нелинейных алгебраических уравнений), решаемая методом Ньютона.

Расчет электромеханических переходных процессов велся с помощью численного интегрирования (метод Рунге-Кутта 4-го порядка) дифференциальных уравнений электромагнитных и электромеханических переходных процессов. Правые части дифференциальных уравнений определялись решением системы нелинейных алгебраических уравнений сети методом исключения Гаусса.

Достоверность программного комплекса подтверждается многолетним использованием его для решения большого круга электротехнических задач, а именно: выбора параметров срабатывания устройств РЗА, проверке электрооборудования на электродинамическую и термическую стойкости, определение мест повреждений на воздушных линиях 110-500 кВ, проверки заявок на ввод-вывод оборудования в энергосистеме Московского региона (до 100 тыс. в год).

Таким образом, выбранные математические модели, алгоритмы расчета и расчетная схема отвечают требованиям комплексной оценки эффективности стационарного деления в условиях энергосистемы Московского региона.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА НАДЕЖНОСТЬ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

В течение 30-летнего периода развития энергосистемы Московского стационарное деление электрических сетей 110 - 220 кВ использовалось для ограничения токов КЗ. На сегодняшний день, примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов сети 110-220 кВ принудительно подвергнуто СДС на шиносое-динительных, секционных и линейных выключателях (109 и 19 точек СДС в сети 110 кВ и 220 кВ соответственно). При СДС коммутационные узлы разукрупняются на непосредственно электрически не связанные части. Было показано, что СДС повышает надежность режимов работы электростанций за счет локализации возмущений. Так, возмущения, которые оказывает КЗ на генератор, удаленный от него, в 1,5 раза меньше по относительному углу и б 2,4 меньше по динамическим

нагрузкам (ток статора) при СДС шин высокого напряжения (ВЫ) электростанции. Динамические нагрузки на оборудование РУ (выключатели, разъединители, трансформаторы тока, шинные опоры и пр.) присоединений электрически не связанных с точкой КЗ так же снижаются. Таким образом, СДС облегчает условия работы оборудования, кроме того, при СДС практически отсутствует вероятность погашения целого РУ при отказе выключателя аварийного присоединения.

1 2

Г

01

02 -о

. аз

В/1

св

Рис. 1. Принципиальная схема электропередачи при СДС

Изменение токов КЗ при СДС в первую очередь связанно с изменением эквивалентных индуктивных сопротивлений АХ энергосистемы относительно точки КЗ. Выполненная в работе оценка изменения АХ приведена на рис. 2. Она представляет собой отношение увеличения сопротивления при СДС к значению сопротивления при нем, а именно:

ДАТ = -

X,

факт.сх

X,

факт.сх

(1)

где Хфаст.сх - эквивалентное сопротивление энергосистемы относительно точки КЗ в фактической схеме; АГСХСЗТд - эквивалентное сопротивление энергосистемы относительно точки КЗ в схеме с ликвидированными точками СДС;

Так, для 25 % узлов в сети 110 кВ и 10 % в сети 220 кВ увеличение АХ из-за СДС превышает самого его значение в несколько раз. Вместе с тем, в остальных узлах изменение много меньше фактического значения. Кроме того, практически не наблюдается увеличение сопротивления сети 500 кВ.

Анализ полученных результатов в работе выявил следующие закономерности: во-первых, ликвидация СДС существенно (в 1,8-3,7 раза) увеличивает максимальные токи трехфазных КЗ в сетях 110-220 кВ. Они могут превысить 130 кА; во-вторых, изменение режима деления сети 110-220 кВ практически не сказывается на уровне токов КЗ в сети 500 кВ. Это дает основание предполагать, что сети, которые разделены автотрансформаторными связями, незначительно влияют друг на друга с позиций роста токов КЗ; в-третьих, изменение результирующего эквивалентного сопротивления электрической сети 110 кВ из-за СДС происходит как в

узлах с делением, так и в смежных узлах, количество которых не превышает 40 %. В сети 220 кВ, напротив влияние данного фактора сильнее.

отн.ед. ¡« г—г----—--------г——г—~т---■

9---------------

8 ----------

б

4

3

О 10 ;о Я!» 40 50 Í.0 "О R0 90 100 п %

уз»

Рнс.2. Интегральное распределение АХ относительно точки КЗ в сетях: 1 -110 кВ; 2 - 220 кВ; 3 - 500 кВ; при изменении режима деления сетей 110-220 кВ

Была выполнена оценка предельных активных мощностей, передаваемых от генераторов электростанций в энергосистему по критерию статической устойчивости (рис.3). Предел статической устойчивости для каждой электростанции находился последовательным утяжелением ее режима по выдаче активной мощности.

Рпред, отн.ед.

200

150

100 50

О

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

а) иуз> /о

Рис.3. Интегральное распределение предельной передаваемой мощности в сечениях сети: а - 110 кВ; б - 220 кВ; 1 - в фактической схеме с разомкнутыми точками СДС; 2 - в схеме с ликвидированными точками СДС; 3 - предельная передаваемая мощность по допустимым длительным нагрузкам линий электропередачи (см. также с. 10)

¿пред, отн.ед.

20

25

Ю

15

0

О ¡0 20 30 40 50 6С 70 80 90

б)

Рис.3. Окончание

На рис.3 Р^д - предельный по апериодической статической устойчивости переток активной мощности в сечении; яссч - количество сечений, как правило, частичных. Значение Рпрс, дано в относительных единицах. В качестве базиса взят суммарный переток активной мощности через заданное сечение в нормальном режиме схемы электрических сетей 110-500 кВ. Также принята во внимание предельной передаваемая мощность по допустимым длительным нагрузкам Рдоп линий электропередачи с позиций их нагрева (кривая 3, рис.3). При ее построении учитывался выход на уровень Ряоп хотя бы у одной линии в сечении при утяжелении режима.

Анализ полученных закономерностей выявил, что СДС для ограничения уровней токов КЗ оказывает заметное влияние на схемы выдачи мощности электростанций по критерию статической устойчивости, снижая предел передаваемой мощности в 1,5 - 2 раза. Однако определяющим с точки зрения допустимых установившихся режимов работы электрических сетей рассматриваемого региона является предел передаваемой мощности по критерию нагрева проводов линий электропередачи, значение которого много ниже предела по статической устойчивости.

Изменение результирующего эквивалентного сопротивления сети из-за СДС влияет не только на статическую, но и на динамическую устойчивость генераторов электростанций. Для оценки этого использовались классические показатели электромеханических переходных процессов: относительные углы роторов генераторов, декременты и времена затухания переходных процессов. В качестве расчетных возмущений были приняты однофазные и трехфазные КЗ (в начале отходящей линии) с успешным и неуспешным автоматическим повторным включением (АПВ). Возмущения рассматривались в фактической схеме и в схеме с принудительно ликвидированными точками СДС. При анализе учитывались только те генераторы, для которых КЗ не является удаленным (на рис.1 при разомкнутом

секционном выключателе СВ и КЗ на линии вблизи узла 1 не учитывались генераторы, подключенные к узлу 2).

На рис.4 приведено интегральное распределение максимальных углов 5макс генераторов при однофазном КЗ при неуспешном АПВ; «гсн - количество генераторов. Видно, что кривые / и 2 на рис.4 выходят практически из одной точки. Это характерно для ограниченного количества электростанций, у которых шины 110-220 кВ не подвергаются делению. Ликвидация СДС 110-220 кВ снижает (рис.4) углы 5макс на 10-15 град., что является благоприятным фактором. При этом их предельные значения не выходят за 75-90 и 85-95 град, при напряжении соответственно 110 и 220 кВ.

На рис.5 приведены аналогичные зависимости для трехфазного КЗ. Углы омакс резко увеличиваются, превосходя 140-160 град. Предельные значения 8макс (кривая 1 на рис.5) при СДС 110-220 кВ возрастают на 10-20 град. В некоторых случаях (см. рис.5, а) ликвидация точек деления сети увеличивает 5макс (кривая 2 на рис.5 проходит выше кривой 1). Это проявилось для электростанций с поперечными связями, имеющих генераторные РУ 6-10 кВ с местной нагрузкой, и является результатом некоторого сброса мощности данной нагрузки, связанного с более сильным снижением напряжения на шинах 6-10 кВ при КЗ на стороне 110 кВ, в сравнении со случаем, когда шины электростанции подвергнуты СДС.

При напряжении 220 кВ и СДС 110-220 кВ на некоторых электростанциях генераторы выпадают из синхронизма (обрыв кривой 1 на рис.5, б). После отключения КЗ их результирующая устойчивость сохраняется. Возможность выпадения генераторов из синхронизма при принятых расчетных условиях является гипотетическим предположением, так как трехфазное АПВ на линиях выдачи мощности 110-220 кВ выполняется с контролем наличия напряжения и (или) синхронизма. Поэтому неуспешное АПВ здесь практически исключено. Анализ поведения генераторов при трехфазном КЗ с успешным АПВ показал, что размах колебаний углов резко снижается. При этом ликвидация СДС 110-220 кВ уменьшает углы 5макс на 5-10 град., то есть примерно так же, как и при однофазных КЗ.

Оценка скорости затухающих колебаний роторов генераторов показала, что СДС несколько (1-2 периода колебаний или 2-5 сек.) затягивает длительность электромеханических переходных процессов (рис.6, 7).

Таким образом, деление сетей 110-220 кВ в целом не столь значительно сказывается на динамической устойчивости генераторов электростанций рассматриваемого региона. Более того, столь жесткая структура этих сетей фактически обеспечивает требуемую надежность не только при однофазных, но и при трехфазных КЗ.

б)

Рис.4. Интегральное распределение максимальных углов роторов при однофазном КЗ на отходящей линии при неуспешном ЛПВ среди генераторов, подключенных к шинам: а - 110 кВ; б - 220 ¡<В; / - фактическая схема с разомкнутыми точками СДС; 2 - схема с ликвидированными точками СДС

б)

Рис.5. Интегральное распределение максимальных уп;ов роторов при трехфазном КЗ па отходящей линии при неуспешном АПВ среди генераторов, подключенных к шинам: (обозначения см. на рис. 4)

а)

! I 1 1 1 1 !

-о— 1

1 1 _____

-- о4* ~ Г ~

^ 4

! ^х 1 ® >

— 2

\ А >г 1 р--к 1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Иген, % б;

Рис.6. Интегральное распределение показателя затухания 1 /g при трехфазном КЗ на отходящей линии без АПВ для блочных схем электростанций (обозна-

Рис.7. Интегральное распределение времени затухания для электростанций с связями на генераторном напряжении (обозначения см. на рис.4)

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

В работе выполнен анализ взаимного влияния сетей 110 - 220 кВ на уровни токов КЗ в них. По его результатам были построены интегральные распределения относительного увеличения токов КЗ в одной сети при ликвидации точек СДС в другой (рис.8). Максимальный рост тока КЗ в сети 110 кВ при СДС в сети 220 кВ не превышает 6-7% (рис.8, а). Напротив, ликвидация СДС в сети 110 кВ может привести к значительному (до 23%) увеличению токов КЗ в узлах сети 220 кВ.

1

2

Ч 1

Г"4- 1 1 \

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 п %

б) У3' Рис.8. Интегральное распределение увеличения токов трехфазного КЗ в узлах сети 110 кВ (а) и 220 кВ (б): 1 - фактическая схема с разомкнутыми точками стационарного деления сети; 2 - схема с принудительно замкнутыми точками стационарного деления сети 220 кВ (а) и 110 кВ (б)

Однако эхо справедливо лишь для нескольких узлов - шин ряда крупных подстанций. У 90% узлов 220 кВ рост уровней токов КЗ при ликвидации точек стационарного деления сети 110 кВ не превышает 10% (рис.8, б). Для определения причины незначительного взаимного влияния сетей был проведен анализ вариации их параметров при изменении режима СДС. По характеристикам рис.8 были отобраны 10 узлов сети 110 и 220 кВ, для которых была составлена схема замещения с эквивалентными параметрами сетей 110 и 220 кВ (рис.9).

Было получено, что ликвидация точек СДС 110 кВ заметно (до 2,11 раз) увеличивает эквивалентный ток КЗ со стороны сети 110 кВ /цо(эк) (рис.9, Табл.1). Однако его абсолютное значение на порядок меньше тока со стороны сети 220 кВ ^220(эк)- При этом изменение 1гго(ЗК) незначительное и не превысило 18%. Причиной этого является малое изменение (до 14%) эквивалентного сопротивления сети 220 кВ относительно точки КЗ. Напротив, эквивалентные сопротивления сети 110 кВ при изменении режима ее деления меняются в разы, а в отдельных случаях и на порядок. Однако, эквивалентное сопротивление 2'цо(эк) может быть намного выше 7220, в том числе за счет индуктивности автотрансформатора связи. Данные закономерности прослеживались и при КЗ на стороне 110 кВ.

Таким образом, было получено, что значения токов КЗ в сложнозамкнутых сетях 110 кВ и выше определяются преимущественно параметрами сети рассматриваемой ступени напряжения. Составляющая суммарного тока КЗ со стороны смежной ступени напряжения сравнительно невелика за счет конечных значений сопротивлений между сетями.

В работе было показано, что ограничение токов КЗ СДС приводит к росту потерь активной мощности и электроэнергии в энергосистеме (табл.2). Однако это наблюдается у 25 - 30% линий 110-220 кВ, находящихся в непосредственной близости от узлов деления. Это подтверждено интегральными характеристиками изменения потерь активной мощности, рассчитанных для каждой линии 110-220 кВ (рис.10).

Таблица 2. Потери активной мощности в линиях 110 - 500 кВ

Номинальное Потери мощности в расчетной схеме, МВт

напряжение, кВ Фактической Без стационар- Без стационар- Без стацио-

ного деления в ного деления в нарного деле-

сетях 110 и сети ния в сети

220 кВ ПОкВ 220 кВ

НО 187,4 176,8 179,6 181,3

220 137,1 120 120,4 136,6

500 24,8 25,3 25,2 24,9

Итого 349,3 322,1 325,2 342,8

Технико-экономические расчеты, выполненные в диссертации показали, что суммарные затраты на замену только выключателей 220 кВ составят 46,3 млрд.руб. Затраты на компенсацию потерь активной мощности только в сети 220 кВ (349,33 МВт - 342,77 МВт = 6,56 МВт), за тот же период, оцениваются на уровне 348,8 млн.руб, что более чем в 100 раз меньше замены ячеек выключателей 220 кВ.

г:

НО(зк)

71 /?>

1 110

-1=3—С

Н

, О)

110(эк)

б)

Е 1

220 1220

по £ио

Рис. 9. Эквивалентные схемы заме1дения сетей 110-220 кВ относительно узлов, разделенных автотрансформаторной связью (а), относительно точки КЗ в узле 220 кВ (б), относительно точки КЗ в узле 110 кВ (в). Все параметры приведены к стороне 220 кВ автотрансформатора, где /£220 - эквивалентное сопротивление сети 220 кВ относительно точки КЗ; 2Гцо - эквивалентное сопротивление сети 110кВ, приведенное к стороне 220 кВ; ¿Гц 0-220 - эквивалентное сопротивление между сетями 110 кВ и 220 кВ, приведенное к напряжению 220 кВ; 2дТ - эквивалентное сопротивление автотрансформатора, состоящее из сопротивлений обмоток высшего и среднего напряжения в схеме замещения (приведено к 220 кВ); 211 о(ок)=2Г 110+21110-220//ЖАТ; ^20(эк)=2г20+2'п0.220//2АТ

Таблица 1. Изменение распределения токов относительно

№ Схема се гей Токи в схеме на рис.9, а и б

узла ■бго(эк) кА А/моо») отн.ед ¿¡Щж) кА АЛ 10(^1!) отн.ед. /Л кЛ Л/™ отн.ед.

Факт. норм. 27,6 1,18 2,1 2,11 29,6 1,25

С ликв.СДС 32,6 4,3 37,0

2 Факт. норм. 27,2 1,10 3,0 1,38 30,2

С ликв.СДС 29,8 4,2 34,0

3 Факт. норм. 25,6 1,13 2,9 1,53 28,5 1,17

С ликв.СДС 28,9 4,4 33,4

4 Факт. норм. 30,7 1,11 1,5 1,68 32,2 1,14

С ликв.СДС 34,0 2,6 36,6

5 Факт. норм. 32,2 1,18 2,5 3,38 34,6 1,20

С ликв.СДС 38,1 3,4 41,5

6 Факт. норм. 22,3 1,07 3,5 1,38 25,8 1,11

С ликв.СДС 24,0 4,8 28,7

7 Факт. норм. 17,8 1,07 2,4 1,25 20,2 1,09

С ликв.СДС 19,1 2,9 22,0

К Факт. норм. 16,4 1,03 2,6 1,21 19,0 1,06

С ликв.СДС 17,0 3,2 20,1

9 Факт. норм. Г 24,3 Н 1,02 1,2 1,02 25,5 1 1,02

С ликв.СДС 24,8 1,2 26,0

10 Факт. норм. ГзиТ4 1,00 1,2 1,00 32,3 1,00

С ликв.СДС 31,1 1,2 32,3

Таким образом, СДС 110-220 кВ энергосистемы следует признать экономически эффективным методом ограничения токов КЗ. При его использовании экономические последствия от увеличения потерь электроэнергии на несколько порядков ниже затрат на модернизацию и эксплуатацию распределительных устройств 110 - 220 кВ, рассчитанных на работу при более высоких значениях токов КЗ.

1,00 0,50 0,00 -0,50 -1,00 -1,50

¡>Л/-\ МВт

1,00 ^

1 \ 1 !

1 3-4--

1 —

0 Ш 2 1 1 ! .'1 3:0 4 1 } 5 о бо :

| ! I

1

"зя- ■■■

а)

100

-1,50

"ИЛ ••

Рис.10. Интегральное распределение изменения (по отношению к фактической схеме) потерь активной мощности в лиинях а) - 110 кВ; б) - 220 кВ; 2 - схема с ликвидированными точками СДС; 3 - схема с ликвидированными точка СДС 110 кВ; 4 - схема с ликвидированными точками СДС 220 кВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны теоретические и практические положения, связанные с комплексным обоснованием эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценкой его влияния на режимы региональной энергосистемы, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Получены новые теоретические результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ СДС, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения на стадии проектирования и эксплуатации.

2. Доказано, что электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счет различных схемных решений при проектировании энергосистем: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения; б) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряжения; в) наложения сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

3. Обосновано, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ энергосистем страны.

Оценка комплексной эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ может оказаться перспективной задачей для будущих исследований.

Получены новые практические результаты:

4. Предложены рекомендации по эффективности методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:

- при формировании структуры электрических сетей мегаполисов в условиях больших приростов генерации и потребления еще более обострится проблема ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ. Необходимо принимать во внимание, что основными методами ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования являются схемные решения, а на стадии эксплуатации - стационарное деление сети. Использование токоограничивающих устройств так же является одним из методов ограничения токов КЗ, но для сетей 110 - 220 кВ он, до сих пор, не нашел широкого применения;

- стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ имеет как положительные, так и отрицательные свойства с позиций надежности. Положительным является разукрупнение коммутационных узлов на непосредственно электрически не связанные части. Это повышает надежность режимов работы электростанций и энергосистемы в целом за счет локализации возмущений. Отрицательным следствием стационарного деления сетей является некоторое ухудшение условий обеспечения статической и динамической устойчивости генераторов электростанций. Однако эти изменения проявляются либо в гипотетических расчетных зонах, или имеют качественный характер.

Поэтому применительно к условиям мегаполисов СДС 110 - 220 кВ следует признать в целом рациональным решением с позиций надежности;

- основным ограничением при формировании схем выдачи мощности электростанций при напряжении 110 - 220 кВ в рассматриваемом регионе является недопущение ограничения перетоков мощности при неполной схеме по критерию длительно допустимых токовых нагрузок проводников и аппаратов, а так же снижения уровней напряжения по узлам сети в послеаварийных установившихся режимах. Фактор устойчивости, имеющий первостепенное значение для основных сетей энергосистем, ослабевает, отходит на второй план.

- деление электрических сетей нарушает естественное потокораспределе-ние активной мощности, увеличивая потери мощности и энергии в сетях. Однако в рассматриваемом регионе крайне незначительные межузловые расстояния в сетях 110 - 220 кВ, что заметно ослабляет данное отрицательное воздействие. Так, показано, что издержки, связанные с возмещением потерь электроэнергии при стационарном делении, в 100 раз меньше затрат на комплексное техническое перевооружение и реконструкцию распределительных устройств подстанций 220 кВ на более высокие уровни токов КЗ.

Таким образом, при формировании структуры электрических сетей 110 -220 кВ мегаполисов (то есть с учетом необходимости ограничения уровней токов КЗ) целесообразно принимать ео внимание принципы, характерные для распределительных сетей.

- можно приветствовать появление в перспективе новых средств ограничения токов КЗ на базе высокотемпературных сверхпроводников, а так же полупроводниковой техники для сетей 110 кВ и выше. Однако следует иметь в виду, что технико-экономическая эффективность этих средств должна быть достаточно высокой. Причина кроется в том, что уровни токов КЗ, в крайнем случае, можно стабилизировать СДС 110 - 220 кВ.

Использование практических результатов:

5. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

6. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы в ОАО «ФСК ЕЭС»

при выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Игнатов В.В., Миерихаиов М.Ш., Мозгалев К.В., Шунтов A.B. Проблемы надежности схем выдачи мощности электростанций в регионе мегаполисов с высокой плотностью нагрузки // Вестник ИГЭУ. - 2005. - Выи,6. -С. 11-16.

2. Игнатов В.В., Миерихаиов М.Ш., Мозгалев К.В., Шунтов A.B., О надежности схем выдачи мощности электростанций в регионе с высокой плотностью нагрузки // Электрические станции. - 2007. - №9. - С. 46 - 52.

3. Игнатов В.В., Миерихаиов М.Ш., Мозгалев К.В., Шунтов A.B. О взаимном влиянии электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания в энергосистеме Московского региона // Электрические станции. -2008. - JV» 6. - С.52 - 54.

4. Игнатов В.В., Миерихаиов М.Ш., Шунтов A.B. К вопросу о методах ограничений токов короткого замыкания в энергосистеме // Известия РАН. Энергетика. - 2009. - №5. - С. 94-103.

В других изданию::

5. Игнатов В.В., Шунтов A.B. Влияние деления электрической сети на статическую устойчивость электростанций // Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. М.: Издательский дом МЭИ, 2007, т.З. -С. 331 -333.

6. Игнатов В,В., Шуктов A.B. Влияние деления электрической сети на динамическую устойчивость генераторов электростанций // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008, т.З.-С. 289-290.

7. Игнатов В.В., Миерихаиов М.Ш., Шунтов A.B. Некоторые аспекты обеспечения надежности в энергосистеме Московского региона на перспективу // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Сб. научн. тр. Вып.58. Математические модели и методы исследования надежности либерализованных систем энергетики. М.-Н.Новгород: Изд-во Волго-Вятской академии государственной службы, 2008. - С. 140 - 149.

8. Игнатов В.В., Шунтов A.B. Взаимное влияние электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания // Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. М.: Издательский дом МЭИ, 2009, т.З. -С. 344-345.

Подписано в печать ¿6. Cb. 10г Зак. fä Тир. ЮС Пл.

Полиграфический центр МЭИ(ТУ)

Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. УРОВНИ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ИХ ОГРАНИЧЕНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Уровни токов короткого замыкания в электрических сетях 110-500 кВ.

1.3. Способы ограничения уровней токов короткого замыкания в электрических сетях.

1.4. Эффективность методов и средств ограничения токов короткого замыкания.

1.5. Выводы.

ГЛАВА.ВТОРАЯ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА РЕЖИМЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Схема замещения энергосистемы Московского региона.

2.3. Модель электрической сети при расчетах токов коротких замыканий.

2.4. Модель электрической сети при расчетах установившихся режимов.

2.5. Модель электрической сети при расчетах переходных процессов.

2.6. Выводы.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА НАДЕЖНОСТЬ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Изменение структуры и параметров электрических сетей при стационарном делении.

3.3. Влияние деления электрических сетей на статическую устойчивость генераторов электростанций.

3.4. Влияние деления электрических сетей на динамическую устойчивость генераторов электростанций.

3.5. Выводы.

ГЛАВА ЧЕТВЕТАЯ. ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Взаимное влияние электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания.

4.3. Анализ эквивалентных параметров электрических сетей, разделенных автотрансфомраторными связями.

4.4. Влияние деления электрических сетей на потери активной мощности и электроэнергии.

4.5. Выводы.

В сетях различного напряжения электроэнергетических систем (сокращенно - энергосистем, систем) уровень токов короткого замыкания (КЗ) в той или иной степени непрерывно возрастает. При этом требования к электрическим аппаратам, проводникам, силовым (авто)трансформаторам и конструкциям распределительных устройств (РУ) становятся все более жесткими. Возникает проблема согласования или координации параметров электрооборудования с существующими или ожидаемыми уровнями токов КЗ [В.1]. Она обострилась сравнительно недавно - в 60-70-е годы - в связи с бурным развитием электроэнергетики, выражающимся ростом единичных мощностей генерирующих агрегатов, электростанций, подстанций и энергосистем, развитием сетей среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений.

На ближайшие годы в стране запланированы вводы генерирующих мощностей. Особенно пристальное внимание уделяется густонаселенным промыш-ленно развитым регионам, в которых возможен дефицит мощности. По прогнозам к 2020 г. уровень электропотребления здесь может заметно возрасти. Такие приросты серьезно затронут структуру электростанций и электрических сетей [В.2].

Большая концентрация источников и потребителей электроэнергии на сравнительно небольшой территории накладывает особенность на организацию схем выдачи мощности электростанций и электрических сетей. Она связана с необходимостью глубокого ограничения токов КЗ в узлах энергосистемы. Дополнительный фактор их роста в крупных городах - применение кабельных линий 110 кВ и выше (для сохранения окружающей среды), имеющих более низкие значения сопротивлений по сравнению с воздушными линиями соответствующего класса напряжения.

Для ограничения токов КЗ на электростанциях и в сетях энергосистем используются [В.1] схемные решения, стационарное или автоматическое деление сети, токоограничивающие устройства, оптимизация режима заземления нейтралей электрических сетей.

Теоретические основы указанных методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [В.1, В.З-В.9 и др.] исследовались различные средства ограничения токов КЗ: реакторы простые и сдвоенные, трансформаторы с расщепленными обмотками, резонансные токоограни-чивающие устройства различных видов, ограничители ударного тока, вставки постоянного тока, а также устройства, использующие высокотемпературную сверхпроводимость. В работе [В .10] описаны схемные решения, принимаемые на стадии проектирования.

Тем не менее, анализ фактических данных показывает [В.11 - В.16], что в электрических сетях 110 кВ и выше одним из основных и наиболее эффективных мероприятий оказывается деление сети. Так, в Московском регионе примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов сети 110-220 кВ (шин электростанций и подстанций) подвергнуто стационарному делению на шиносоедини-тельных, секционных и линейных выключателях (всего более 100 точек стационарного деления сети).

Стационарное деление шин 110-220 кВ электростанций и подстанций ограничило токи КЗ в Московском регионе уровнем до 30-40 кА, а не 130-140 и 70-80 кА в сетях соответственно 110 и 220 кВ при отсутствии деления.

Автоматическое деление сети используется реже. Оно не уменьшает электродинамических воздействий на электрооборудование линейных присоединений и требует более высоких соотношений предельных сквозных токов выключателей и их токов отключения. В противном случае необходимо считаться с риском при работе оборудования в зоне ненормированных параметров.

Среди специалистов бытует мнение, что деление высоковольтных электрических сетей - вынужденное решение, отрицательно сказывающееся на надежности электростанций и электрических сетей. Оно снижает не только токи КЗ, но и жесткость сети - увеличивает ее результирующее эквивалентное сопротивление. Это требует согласовывать изменения структуры сетей с проблемой устойчивости. Действительно, с точки зрения устойчивости работы электрических машин эквивалентное сопротивление генерирующих источников ограничено. Оно не должно превышать определенного значения, зависящего от параметров источников. Аргументация носит во многом качественный характер и не подтверждена количественными показателями. Деление сетей так же нарушает естественное по-токораспределение активной мощности, приводя к возрастанию потерь мощности и электроэнергии в энергосистеме.

В диссертационной работе [В .16] эти факторы так же были отмечены, но только качественно. Более того, стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ является вынужденным решением при эксплуатации энергосистем и не может заменить собой схемных решений (оптимизации структуры и параметров сетей - см. [В.1]).

Наконец, в последние годы в России наметилась тенденция к «отпусканию» уровней токов КЗ в электрических сетях. По требованию ОАО «СО ЕЭС» принудительно снижается количество точек деления сетей для повышения их надежности. Токи КЗ при этом существенно возрастают. Так, в Московском регионе на значительном количестве вновь вводимых электросетевых объектов устанавливается оборудование на максимально возможный ток КЗ не 40 кА, (как на протяжении многих десятилетий), а 63 кА. Такое оборудование в нашей стране практически не производится. Подобная техническая политика позволяет загружать только зарубежные электроаппаратостроительные заводы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что до сих пор недостаточно исследована комплексная эффективность ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.

При решении подобного класса задач оправдано использовать общие положения изучения больших систем энергетики, именуемые системным подходом [В. 17]. Как известно, системный подход исходит из рассмотрения последних целостным множеством элементов, обладающим свойствами, несводимым к сумме свойств, входящих в него элементов. При этом во главу ставится постулат, что развитие объектов определяется причинно-следственными связями, выражающимися совокупностью объективных тенденций и закономерностей.

Таким образом, существо научно-технической задачи, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в оценке комплексного влияния ограничения токов короткого замыкания делением электрических сетей на режимы энергосистемы с учетом ее реальной структуры и параметров. Получаемые при этом рекомендации предназначены для принятия решений, как при текущей эксплуатации, так и на перспективу.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы заключается в разработке теоретических и практических положений, связанных с исследованием комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценки его влияния на режимы энергосистемы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- выявлены закономерности, дающие оценку влияния ограничения уровней токов КЗ путем стационарного деления сети на надежность и экономичность режимов работы одной из крупнейших региональных энергосистем страны;

- установлены причинно-следственные связи, когда развитые электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счет различных схемных решений при проектировании энергосистем.

- уточнены рекомендации по выбору методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше энергосистем.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами вычислительного эксперимента на математических моделях, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций, электрических сетей, энергосистем) на современном этапе.

Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно-обоснованных рекомендаций, связанных с комплексной оценкой эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей в условиях различной структуры и параметров реальной энергосистемы.

Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся при использовании основных методов ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования и эксплуатации в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110-500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны. Такая концепция реализована впервые. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ стационарным делением электрических сетей, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы.

2. Доказано, что электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки приоритетно использовать принципы продольного и поперечного разделения сетей, предложенные проф. Б.Н. Неклепаевым [В.1], для стабилизации уровней токов КЗ, а именно: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения; б) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряжения; в) наложения сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

3. Обосновано на примере конкретной энергосистемы, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ энергосистем страны.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение комплексного подхода для оценки эффективности ограничения уровней токов КЗ стационарным делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.

2. Оценка эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ.

3. Причинно-следственные связи в структуре и параметрах энергосистем при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на следующих семинарах конференциях: 79-м и 80-м международных семинарах им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007; Иркутск, 2008); 13-й, 14-й и 15-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2008), а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журналах «Известия РАН. Энергетика» (2009), «Электрические станции» (2007, 2008), Вестник ИГЭУ (2005) и в трудах четырех конференций и семинаров. Количество публикаций по теме диссертации составляет восемь печатных работ, из них четыре в изданиях по списку ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (акта внедрения результатов работы).

4.5. Выводы

1. Развитые электрические сети 110 кВ и выше энергосистемы Московского региона, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровня токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счёт:

- перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения;

- поперечного разделения сетей;

- продольного разделения сетей.

2. С позиций потерь активной мощности и электроэнергии определяющим является режим стационарного деления в сети 110 кВ. При этом количество линий с высокими потерями активной мощности примерно одинаково. Влияние на системообразующие сети 500 кВ и выше практически отсутствует. Таким образом, стационарное деление электрических сетей рассматриваемого региона влияет на распределение потоков мощности только внутри него, не влияя на смежные энергосистемы.

3. Стационарное деление электрических сетей 110 - 220 кВ позволяет координировать уровни токов КЗ с коммутационной способностью современных выключателей. При этом издержки, связанные с возмещением потерь электроэнергии при использовании стационарного деления, более чем в 100 раз меньше затрат на комплексное техническое перевооружение и реконструкцию распределительных устройств подстанций 220 кВ на более высокие уровни токов КЗ.

4. При планировании развития электрических сетей мероприятия по ограничению токов КЗ в одной сети можно проводить практически независимо от состояния сети смежного класса напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны теоретические и практические положения, связанные с комплексным обоснованием эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценкой его влияния на режимы региональной энергосистемы, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Получены новые теоретические результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ стационарным делением электрических сетей, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения на стадии проектирования и эксплуатации.

2. Доказано, что электрические сети 110кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки приоритетно использовать схемные решения, предложенные проф. Б.Н. Неклепаевым, для стабилизации уровней токов КЗ, а именно: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения; б) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряжения; в) наложения сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

3. Обосновано, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ энергосистем страны.

Оценка комплексной эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ может оказаться перспективной задачей для будущих исследований.

Получены новые практические результаты:

4. Предложены рекомендации по эффективности методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:

- при формировании структуры электрических сетей мегаполисов в условиях больших приростов генерации и потребления еще более обострится проблема ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 - 220 кВ. Необходимо принимать во внимание, что основными методами ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования являются схемные решения, а на стадии эксплуатации - стационарное деление сети. Использование токоограничивающих устройств так же является одним из методов ограничения токов КЗ, но для сетей 110 - 220 кВ он, до сих пор, не нашел широкого применения; - стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ имеет как положительные, так и отрицательные свойства с позиций надежности. Положительным является разукрупнение коммутационных узлов на непосредственно электрически не связанные части. Это повышает надежность режимов работы электростанций и энергосистемы в целом за счет локализации возмущений. Отрицательным следствием стационарного деления сетей является некоторое ухудшение условий обеспечения статической и динамической устойчивости генераторов электростанций. Однако эти изменения проявляются либо в гипотетических расчетных зонах, или имеют качественный характер.

Поэтому применительно к условиям мегаполисов стационарное деление электрических сетей 110 - 220 кВ следует признать в целом рациональным решением с позиций надежности;

- основным ограничением при формировании схем выдачи мощности электростанций при напряжении 110 - 220 кВ в рассматриваемом регионе является недопущение ограничения перетоков мощности при неполной схеме по критерию длительно допустимых токовых нагрузок проводников и аппаратов, а так же снижения уровней напряжения по узлам сети в послеаварийных установившихся режимах. Фактор устойчивости, имеющий первостепенное значение для основных сетей энергосистем, ослабевает, отходит на второй план.

- деление электрических сетей нарушает естественное потокораспределе-ние активной мощности, увеличивая потери мощности и энергии в сетях. Однако в рассматриваемом регионе крайне незначительные межузловые расстояния в сетях 110 - 220 кВ, что заметно ослабляет данное отрицательное воздействие. Так, показано, что издержки, связанные с возмещением потерь электроэнергии при стационарном делении, в 100 раз меньше затрат на комплексное техническое перевооружение и реконструкцию распределительных устройств подстанций 220 кВ на более высокие уровни токов КЗ.

Таким образом, при формировании структуры электрических сетей 110 -220 кВ мегаполисов (то есть с учетом необходимости ограничения уровней токов КЗ) целесообразно принимать во внимание принципы, характерные для распределительных сетей. Одним из основных положений является оптимизация точек деления сети по критерию надежности (категорийности) электроснабжения потребителей и минимизации потерь мощности и электроэнергии в условиях жесткого ограничения уровней токов КЗ в этой сети;

- можно приветствовать появление в перспективе новых средств ограничения токов КЗ на базе высокотемпературных сверхпроводников, а так же полупроводниковой техники для сетей 110 кВ и выше. Однако следует иметь в виду, что технико-экономическая эффективность этих средств должна быть достаточно высокой. Причина кроется в том, что уровни токов КЗ, в крайнем случае, можно стабилизировать стационарным делением сетей 110 - 220 кВ.

Использование практических результатов:

5. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

6. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.

1. В.1. Неклепаев Б.Н. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. М.: Энергия, 1978.

2. В.2. Концепция технического перевооружения энергетического хозяйства Московского региона // Электрические станции. 2006. - №7.

3. В.З. Исследование эффективности различных методов и средств ограничения токов короткого замыкания на землю в сетях 110-750 кВ / Б.Н. Неклепаев, М.В. Пираторов, А.И. Пойдо и др.- Труды МЭИ. Вып. 521. М.: МЭИ, 1981.

4. В.4. Лисовский Г.С., Хейфиц М.Э. Главные схемы и электротехническое оборудование подстанций 35-750 кВ. М.: Энергия, 1977.

5. В.5. Ерхан Ф.М., Неклепаев Б.Н. Токи короткого замыкания и надежность энергосистем. Кишинев: Штиинца, 1985.

6. В.6. Short-circuit current levels and basic consepts for limiting them / V.V. Erc-hevich, B.N. Neklepaev, L.F. Krivushkin etc. // International conference on large high voltage electric systems. 1982. Pap. 23-09.

7. B.7. Неклепаев Б.Н. Проблема координации уровней токов короткого замыкания на электростанциях и в электрических сетях энергосистем // Известия РАН. Энергетика. 1993. - №6.

8. В.8. Feasibility study of passive fault current limiter / A. Nishiguchi, K. Shimo-mura, Y Sudo etc. // International conference on large high voltage electric systems. 1998. Pap. 37-104.

9. B.9. Сверхпроводниковые токоограничивающие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем / И.З. Глускин, Г.А. Дмитриева, М.Ш. Мисриханов и др. / Под ред. И.В. Якимца.- М.: Энергоатомиздат, 2002.

10. В. 10. Электротехнический справочник. Том 3 / Под общ. ред. профессоров МЭИ.- М.: Изд-во МЭИ, 2002.

11. B.l 1. Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. Режим нейтралей и токи короткого замыкания в основных электрических сетях // Известия РАН. Энергетика. 2001. - №5.

12. В. 12. Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. О стабилизации уровней токов короткого замыкания в сетях 110 кВ и выше // Электрические станции. -2001.-№12.

13. В. 13. Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. Об эффективности заземления нейтралей автотрансформаторов через реактор или резистор // Электричество. 2004. -№1.

14. В. 14. Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. Токи короткого замыкания и эффективность стационарного деления электрической сети // Электричество. 2004. - №10.

15. В. 15. Разработка проблемы координации уровней токов короткого замыкания в энергосистемах / К. М. Антипов, А. А. Востросаблин, В. В. Жуков и др. // Электрические станции. 2005. - №4.

16. В. 16. Мозгалев К.В. Оценка эффективности ограничения токов короткого замыкания в сетях 110 500 кВ энергосистемы / Дисс. . канд. техн. наук М.: МЭИ, 2005.

17. В. 17. Мелентьев JI.A. Избранные труды. Методология системных исследований в энергетике. М.: Наука. Физматлит, 1995.

18. В. 18. Неклепаев Б.Н., Ушакова А.Д., Смольянинова JT.H. Обзор по координации уровней токов короткого замыкания в электрических сетях энергосистем. М.: СПО ОРГРЭС, 1993.

19. Востросаблин A.A., Неклепаев Б.Н., Шунтов A.B. Об эффективности мероприятий по ограничению токов короткого замыкания в основных сетях энергосистем // Известия РАН. Энергетика. 2001. -№ 4.

20. Руководящие указания и нормативы по проектированию развития энергосистем. М.: Минэнерго СССР, 1981.

21. Методические рекомендации по проектированию развития энергосистем. Утверждены приказом Минэнерго России от 30.06.2003 г. №281.

22. Needs in the customer connection to the Italian national grid and equipment for their implementation / E.M. Carlini, C. Di Mario, E. Colombo etc. // International conference on large high voltage electric systems. 2002. Pap. 23-102.

23. Балаков Ю.Н., Мисриханов М.Ш., Шунтов A.B. Проектирование схем электроустановок. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

24. Востросаблин А.А., Неклепаев Б.Н. Оценка численных характеристик риска при принятии решений в электроэнергетике // Электрические станции. -2000. №5.

25. Режим нейтрали в электрических системах / Под ред. И.М. Сироты.-Киев: Наукова думка, 1974.

26. Частичное заземление нейтрали в электрических системах через резистор / Под ред. Ч.М. Джуварлы.- Баку: Элм, 1976.

27. Указания по ограничению токов короткого замыкания в сетях напряжением 110 кВ и выше. М.: СПО ОРГРЭС, 1976.

28. Руководящие указания по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110-220 кВ энергосистем. М.: СПО Союзтех-энерго, 1985.

29. Кадомская К.П., Максимов Б.К., Челазнов А.А. Системный подход к выбору резисторов в нейтралях силовых трансформаторов в электрических сетях 110-750 кВ // Электрические станции. 1997. - №10.

30. Новые технологии для электрических сетей: сборник статей / Под общ. Ред. А.Н. Раппопорта, С.В. Серебрянникова.- М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

31. Live-grid operation of superconducting cable and superconducting fault current limiter / Y. Xin, B. Hou, W.Z Gong, F. Ye, S.M. Si, A.L. Ren, L. X. Xiao, J. Wei // International conference on large high voltage electric systems. 2008. Pap. Dl-101.

32. Field test application of the hybrid superconducting fault current limiters to the grid power network in Korea / B.W. Lee, K.B. Park, J. Sim, E. Jang, I. S. Oh // International conference on large high voltage electric systems. 2008. Pap. Dl-104.

33. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. М.: НЦ ЭНАС, 2001.

34. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: Энергия, 1970.

35. Переходные процессы в электроэнергетических системах / И. П. Крючков, В. А. Старшинов, Ю. П. Гусев, М. В. Пираторов . М.: Изд. дом МЭИ, 2008.

36. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.

37. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. шк., 1985.

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

39. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под. ред. Л.А. Жукова. М.: Энергия, 1979.

40. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / Под ред. С. С. Рокотяна и И. М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985.

41. Чесаченко В.Ф., Уравнения динамической устойчивости сложной эне-госистемы для решения на ЦЭВМ// Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. -1963.- №6.

42. Об одной форме уравнений динамики энергетических систем для решения на ЦЭВМ// Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1968. - №4.

43. Чесаченко В.Ф., Уравнения регуляторов возбуждения синхронных генераторов для расчета на ЭЦВМ // Электричество. 1968. - №10.

44. Жидких Н.М., Чесаченко В.Ф., Безытеративные алгоритмы расчета динамической устойчивости электроэнергетических систем // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1970. - №3.

45. Методические указания по устойчивости энергосистем. Утверждены приказом Минэнерго России от 30.06.2003 г. №277.

46. Игнатов В.В., Мисриханов М.Ш., Мозгалев К.В., Шунтов A.B., О надежности схем выдачи мощности в регионе с высокой плотностью нагрузки// Электрические станции. 2007. - №9.

47. Игнатов В.В., Мисриханов M.LLL, Мозгалев К.В., Шунтов А.В., Проблемы надежности схем выдачи мощности электростанций в регионе мегаполисов с высокой плотностью нагрузки // Вестник ИГЭУ. — 2005. Вып.6.

48. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях / Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергоатомиздат, 1983.

49. Review of adequacy standards for génération and transmission planing / C. O'Riordan, E. Eunson, E. Stam, K. Takahashi // Electra. 1993. - №150.

50. Игнатов B.B., Мисриханов М.Ш., Мозгалев K.B., Шунтов А.В. О взаимном влиянии электрических сетей при ограничении токов короткого замыкания в энергосистеме Московского региона// Электрические станции. 2008. - № 6.

51. Игнатов В.В., Мисриханов М.Ш., Шунтов А.В. К вопросу о методах ограничения токов короткого замыкания в энергосистеме// Известия РАН. Энергетика. 2009. - №5.

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

53. Режимы работы электрических систем и сетей / Под. ред. В.А. Веникова. М.: Высшая школа, 1975.

54. СТО 56947007-29.240.014-2008. Укрупненные показатели стоимости сооружения (реконструкции) подстанций 35-750 кВ и линий электропередачи напряжением 6,10-750 кВ. Стандарт организации. Дата введения 18.04.2008.

55. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича.- М.: ЭНАС, 2006.