автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики оценки влияния основного оборудования электрических сетей 220 кВ и выше на искажение формы кривой напряжения

На правах рукописи

Олексюк Борис Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 220 кВ И ВЫШЕ НА ИСКАЖЕНИЕ ФОРМЫ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 — Электрические станции и электроэнергетические системы (технические науки)

3 О ОКТ 2014

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2014 г.

005554025

Работа выполнена на кафедре Электроэнергетических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Шаров Юрий Владимирович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

заведующая кафедрой «Электроснабжение и электротехника» ТГУ Вахнина Вера Васильевна;

Кандидат технических наук, главный научный сотрудник отдела моделирования электрических сетей ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» Фокин Владимир Константинович

Ведущая организация: ОАО «Федеральная сетевая компания Единой

энергетической системы»

Защита состоится «05» декабря 2014 года в 16 ч. 30 мин. В ауд. Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » ОКгпЯ брЯ 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук

-з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество электроэнергии (КЭ) оказывает существенное влияние на работу электроприемников. Снижение КЭ негативно сказывается на параметрах работы оборудования, приводит к сокращению его срока службы, снижению эффективности и надежности. Существенное снижение КЭ, сопровождаемое выходом показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за установленные нормативными документами значения, может приводить к массовому браку производимой продукции на предприятиях, а в ряде случаев к нарушению технологических процессов и останову производства.

Исследования, проводимые в области оценки влияния оборудования энергосистемы на КЭ, нацелены, как правило, на оценку негативного воздействия электроустановок потребителей. Основные исследования в области влияния непосредственно электросетевого оборудования на КЭ проводились в 60-70х годах XX века. С тех пор изменились нормы проектирования оборудования, введены в действие новые стандарты в области проектирования и эксплуатации сетей, существенное развитие получили новые методы математического моделирования в электроэнергетике.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки методики оценки влияния основного силового оборудования энергосистемы на КЭ в высоковольтных электрических сетях.

Объект исследования — магистральные электрические сети 220-750 кВ.

Предмет исследования — влияние силового трансформаторного оборудования и воздушных линий электропередачи на КЭ на высших гармониках.

Цель исследования — разработка методики оценки влияния основного оборудования магистральных электрических сетей 220-750 кВ на искажение формы кривой напряжения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели силового автотрансформатора как источника высших гармоник тока;

2. Проведение натурного эксперимента на действующем силовом трансформаторе;

3. Разработка математической модели воздушной линии электропередачи как источника высших гармоник тока;

4. Проведение натурного эксперимента на действующей воздушной линии электропередачи для оценки влияния коронного разряда на искажение формы кривой напряжения;

5. Разработка методики оценки влияния силового трансформаторного оборудования и воздушных линий электропередачи 220-750 кВ на искажение формы кривой напряжения в узлах электрической сети;

6. Апробация разработанной методики на примере тестовой схемы электрической сети.

Методы исследования. Для решения вышеперечисленных задач были использованы: гармонический анализ, теория рядов, основные положения общей теории электротехники, принцип суперпозиции в теории электрических цепей, математические численные методы решения систем дифференциальных уравнений, теория линий с распределенными параметрами, принцип дуальности электрических и магнитных цепей.

Расчеты с использованием моделей, разработанных в соответствии с предложенными методами, проводились в программных пакетах МаЙаЬ БшшНпк (США), (Российская Федерация).

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается применением апробированных методов расчета установившихся режимов электрических сетей, использованием общепринятых допущений при моделировании основного оборудования электрических сетей, а также результатами экспериментов и измерений, выполненных в действующих электрических сетях 220-500 кВ, проведенных с участием автора.

Основные результаты работы.

1. Разработана методика определения параметров схем замещения силового трансформаторного оборудования на частотах высших гармоник.

2. Разработана методика определения параметров схем замещения воздушный линий электропередачи как источников высших гармоник тока.

3. Предложена методика оценки влияния основного оборудования электрических сетей 220-750 кВ на искажение формы кривой напряжения в узлах сети.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие научные результаты:

1. Разработана математическая модель статической электрической машины (однофазных и трехфазных трансформаторов и реакторов, в том числе управляемых), отличающаяся от известных тем, что позволяет рассчитать гармонический состав потребляемого тока, как в режиме холостого хода, так и при произвольной нагрузке, с учетом реальной конструкции электромагнитной части устройства.

2. Предложена математическая модель протяженной линии электропередачи переменного тока 220-750 кВ, учитывающая коронный разряд на ее проводах, отличающаяся от известных тем, что позволяет учитывать влияние угла между векторами напряжения по концам ВЛ на создаваемое током короны искажение формы кривой напряжения в узлах сети.

3. Проведена оценка влияния основного оборудования электрических сетей на КЭ по и-ой гармонической составляющей и приведены возможные уровни искажений формы кривой напряжения, вызванные работой оборудования электрической сети (без учета искажающих электроприемников).

Основные положения, выносимые на защиту:

• Математическая модель силового трансформаторного оборудования как источника высших гармоник тока;

• Методика проведения и результаты натурного эксперимента по измерению спектра тока холостого хода на действующем автотрансформаторе;

• Методика проведения и результаты натурного эксперимента по измерению спектра тока воздушной линии электропередачи 500 кВ в режиме одностороннего включения;

• Методика оценки влияния основного оборудования электрических сетей 220 кВ и выше на искажение формы кривой напряжения.

Практическая значимость полученных результатов. Разработанные математические модели основного силового оборудования электрической сети, а также разработанная методика могут быть использованы для оценки вклада силового трансформаторного оборудования и высоковольтных BJI в уровень высших гармоник напряжения в узлах сети на основе разработанных алгоритмов и методик экспериментальных исследований.

Предложенные математические модели силового трансформаторного оборудования и воздушных линий электропередачи 220-750 кВ могут быть использованы как в существующих программных комплексах, так и во вновь разрабатываемом специализированном программном обеспечении.

Реализация результатов работы. Разработанные модели электросетевого оборудования реализованы в программной среде Matlab Simulink. При этом приведенное описание моделей позволяет реализовать их в других программных комплексах для расчета переходных процессов в электрических цепях. Предложенная методика оценки влияния основного электросетевого оборудования на искажение формы кривой напряжения может применяться для электрических сетей переменного тока 220-750 кВ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на общероссийских и международных конференциях:

1. Международная молодежная научно-техническая конференция «Управление, информация и оптимизация в электроэнергетических системах». НГТУ. Новосибирск, 2011;

2. The 8th International Conference "Electric Power Quality and Supply Reliability". Tallinn University of Technology. Tartu (Estonia), 2012;

3. XIX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». НИУ «МЭИ». Москва, 2013.

Тестировались на программном комплексеМа11аЬ Simulink.

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 5 (пять) работ, из них 4 (четыре) в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Материал работы изложен на 149 страницах, включает 39 рисунков, 35 таблиц и 3 приложения. Список использованной литературы содержит 82 наименования.

Личный вклад автора. Проведено исследование основных силовых элементов магистральных электрических сетей — трансформаторного оборудования и воздушных линий электропередачи — как источников высших гармоник тока. Проведены натурные эксперименты на действующих автотрансформаторах 220 кВ и воздушной линии электропередачи 500 кВ. Разработана методика оценки влияния основного оборудования магистральных электрических сетей на искажение формы кривой напряжения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, указывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлена структура и объем диссертационной работы.

В первой главе «Основное оборудование электрических сетей 220—750 кВ как источник высших гармоник тока» проводится обзор литературы, в которой содержатся сведения об оборудовании электрических сетей с точки зрения генерируемых им высших гармоник тока. Рассмотрены и проанализированы существующие методики и подходы к анализу распространения высших гармоник по электрическим сетям. Показано, что в предлагаемых методиках основным источником высших гармоник тока является искажающая нагрузка, содержащая нелинейные электроприемники. Используемые модели силового трансформаторного оборудования позволяют учесть нагрузку и схему соединения обмоток, однако при этом не учитываются конструкция магнитопровода, свойства используемой электротехнической стали, а также зависимость коэффициента трансформации от частоты и расположения источника высших гармоник (ВГ) напряжения относительно трансформатора. Также не учитываются высшие гармоники тока, генерируемые высоковольтными воздушными линиями электропередачи (ЛЭП).

В условиях рыночных отношений в отечественной электроэнергетике и разделения зон ответственности компаний-участников рынка становится весьма важной задача оценки возможного влияния оборудования субъектов рынка электроэнергии на КЭ. В настоящее время обеспечение КЭ в соответствии с условиями договора на поставку электроэнергии, как правило, является задачей электроснабжающей организации. Прецеденты судебной практики в части установления ответственности за ухудшение КЭ таковы, что в большинстве случаев штрафным санкциям подвергаются сетевые компании, в то время как

основным виновником ухудшения КЭ по п-ой гармонической составляющей и по коэффициенту искажения синусоидальности формы кривой напряжения являются нелинейные электроприемники в составе нагрузки, присоединенной к электрическим сетям. При этом в настоящее время оценка возможного влияния оборудования электросетевых организаций на КЭ затруднительна ввиду отсутствия соответствующей методики, которая позволит оценить ожидаемые уровни вносимых оборудованием электрической сети электромагнитных помех на высших гармониках.

Определена необходимость разработки методики оценки влияния основного оборудования электрических сетей на искажение формы кривой напряжения, которая позволит рассчитать значения гс-ой гармонической составляющей напряжения и коэффициента искажения синусоидальности формы кривой напряжения, вызванные работой силового оборудования сетевой организации.

Во второй главе «Разработка модели силового трансформатора как источника высших гармоник тока» предложена математическая модель силового автотрансформатора (АТ), в основу которой положен принцип имитационного моделирования. В качестве объекта моделирования был выбран АТ 220/110 кВ мощностью 125 МВА как наиболее распространенный тип трансформаторного оборудования в сетях класса напряжения 220 кВ (совокупная установленная мощность АТ этого типа составляет 48% суммарной установленной мощности силового трансформаторного оборудования 220 кВ).

Разработанная имитационная модель (ИМ) автотрансформатора, в которой учтена геометрия магнитной системы, а также параметры и схема соединения обмоток, показана на рис. 1.

В работе представлены результаты проведенных натурных экспериментов

по измерению спектра тока холостого хода (XX) на действующих автотрансформаторах 220/110 кВ, результаты которых сопоставлены со значениями генерируемых автотрансформатором ВГ тока, полученных на ИМ АТ. В ходе экспериментов на отключенный автотрансформатор подавалось напряжение со стороны обмотки ВН (схема проведения экспериментов представлена на рис. 2) путем включения выключателя 01 (С)2 при этом оставался в отключенном положении).

Рис. 2. Схема проведения натурного эксперимента по измерению спектра тока холостого хода автотрансформатора.

Измерение ВГ тока в спектре тока XX автотрансформатора, а также спектра ВГ приложенного к обмотке ВН напряжения осуществлено при помощи средств измерения (СИ) ПКЭ, подключенных к вторичным цепям измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Измеренные значения ВГ тока XX АТ сопоставлены со значениями расчетных ВГ тока, полученных на ИМ АТ в аналогичных эксперименту условиях - при том же действующем значении приложенного к обмотке ВН напряжения, а также при соответствующем эквивалентном сопротивлении системы. Результаты натурного и вычислительного экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Спектр тока холостого хода автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110 и расчетный спектр тока холостого хода, полученный на имитационной модели

(17„з„ = 230 кВ, I® =19,6 кА).

п ИМ АТ 220 кВ мощностью 125 МВА, /(„), А (ампл.), для фазы: АТДЦТН-125000/220/1 ю, /(„), А (ампл.), для фазы:

А В С среднее А В С среднее

3 0,062 0,108 0,030 0,067 0,078 0,011 0,116 0,068

5 0,050 0,120 0,067 0,079 0,084 0,098 0,069 0,084

7 0,025 0,076 0,050 0,050 0,025 0,035 0,025 0,028

В результатах измерений на действующих АТ и в результатах моделирования с использованием ИМ в спектре тока после затухания переходных процессов, сопровождающих включение автотрансформатора, присутствуют только нечетные гармоники. Действующие значения тока 9-й гармоники и

гармоник более высокого порядка примерно в 7 раз ниже действующего значения тока 5-й гармоники, а действующие значения тока 11-й гармоники и гармоник более высокого порядка соизмеримы с погрешностью СИ ПКЭ. В этой связи ВГ тока 9 порядка и выше в работе не рассматривались. Результаты моделирования и проведенных измерений спектра тока XX АТ, представленные в таблице 1, позволили сделать вывод о достоверности разработанной ИМ.

На ИМ АТ проведена серия вычислительных экспериментов и получены зависимости ВГ тока исследуемого АТ от ряда влияющих факторов: 1) Значения приложенного напряжения основной частоты:

Зависимость ВГ тока АТ от приложенного напряжения основной частоты определяется выражением:

м тт

V ^ ном /

Значения показателя степени к для рассматриваемых гармоник представлены в таблице 2.

_Таблица 2. Значения показателей степени к в выражении (1).

Порядок гармоники п к

3 7,2

5 8,5

7 9,5

2) Значения эквивалентного сопротивления системы:

При увеличении мощности короткого замыкания (КЗ) £кз в точке присоединения исследуемого АТ к сети от номинальной мощности АТ до 20-кратной номинальной мощности АТ происходит рост токов п-ой гармоники. В области сопротивлений системы, соответствующих уровням тока трехфазного КЗ порядка 6-12 кА (5Кз = 2500-5000 МВА), происходит снижение значений токов высших гармоник. При дальнейшем снижении сопротивления сети токи гармоник возрастают, причем при напряжении 210 и 230 кВ этот рост незначителен, а при напряжении 252 кВ отношение коэффициентов «-ой гармонической составляющей, рассчитанных при 5Кз = 10000 МВА и при 5Кз = 5000 МВА, составляет порядка 1,5 - 1,7.

3) Нагрузки автотрансформатора и ее характера:

Снижение значений ВГ тока, генерируемых исследуемым АТ, при индуктивной нагрузке и повышение значений ВГ тока при емкостной нагрузке выражено тем сильнее, чем выше нагрузка АТ: при емкостном характере тока нагрузки, протекающего по обмоткам АТ, создаваемое им магнитное поле приводит к увеличению магнитной индукции в элементах магнитной системы - намагничивающий эффект нагрузки. Соответственно, чем выше значения тока нагрузки, тем сильнее

намагничивание стали и, следовательно, выше искажение формы кривой тока. При индуктивном характере нагрузки возникает обратный (размагничивающий) эффект - снижение значений магнитной индукции в магнитной системе машины, приводящее к снижению нелинейных искажений тока автотрансформатора. Таким образом показано, что при определении значений ВГ тока, создаваемых трансформаторным оборудованием, необходимо учитывать как значение мощности нагрузки, так и ее характер — при емкостном характере нагрузки значения ВГ тока до 4,8 раз выше значений ВГ тока при чисто активной нагрузке исследуемого АТ.

4) Наличия высших гармоник в спектре напряжения сети:

Искажение формы кривой приложенного к обмоткам трансформатора напряжения может приводить к значительному увеличению значения генерируемых трансформатором ВГ тока (до 1,6 раз по результатам проведенного на ИМ АТ вычислительного эксперимента при предельно допустимом' содержании 3-й, 5-й и 7-й гармоник в спектре приложенного напряжения).

В работе показано, что коэффициент трансформации кт исследуемого АТ на высших гармониках нулевой последовательности (3-й, 9-й и т.д.) отличается от номинального и определяется параметрами конструкции обмоток, причем его значение также зависит от расположения источника ВГ напряжения. При расположении источника ВГ напряжения нулевой последовательности со стороны обмотки ВН АТ значение коэффициента трансформации определяется по формуле:

]г- 1 + ^нн + ^о-н + -^п-о)' ^по О)

где ^нн — площадь канала рассеяния внутри обмотки низкого напряжения (НН) (между обмоткой и стержнем магнитной системы), ^о-н — площадь канала рассеяния между обмотками НН и общей обмоткой (00), ^.о — площадь канала рассеяния между обмотками 00 и последовательной обмоткой (ПО), Ж— число витков соответствующей обмотки. Для исследуемого АТ значение кт составляет 2,07.

В случае расположения источника ВГ напряжения нулевой последовательности со стороны обмотки СН АТ значение коэффициента трансформации определяется соотношением:

кг= 1 +

р

1__

V (3)

"оо

1 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]: ГОСТ 32144-2013. — Введ. 2014.07.01. — Москва: Стандартинформ, 2013. —36 с.

Для исследуемого АТ в этом случае значение кт составляет 1,77.

Ввиду того, что проведение вычислительных экспериментов на ИМ силовых трансформаторов требует значительных вычислительных ресурсов, для расчета действующего значения ВГ напряжения в узлах электрической сети, обусловленных силовым трансформаторным оборудованием, целесообразно использовать не ИМ, а схемы замещения трансформаторов. Определение параметров схемы замещения силовых (авто-)трансформаторов на частотах ВГ возможно двумя способами: аналитическим и экспериментальным. Аналитический способ реализуем в случае, когда известны геометрия электромагнитной части (авто-)трансформатора и характеристики применяемой электротехнической стали. При отсутствии этих данных при наличии возможности проведения измерений в режиме XX (авто-)трансформатора можно прибегнуть к экспериментальному способу, заключающемуся в измерении спектра тока XX при работе (авто-)трансформатора в режиме XX при различных значениях приложенного к обмотке ВН напряжения.

Алгоритм определения параметров схемы замещения силового трансформаторного оборудования на высших гармониках в виде блок-схемы представлен на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения параметров схемы замещения силового трансформаторного оборудования на высших гармониках.

В результате выполнения алгоритма, представленного на рис. 3, формируется схема замещения силового (авто-)трансформатора, показанная на рис. 4.

Ф,

X^fiU, Цп> xaiSK)

Рис. 4. Схема замещения силового трансформаторного оборудования на высших

Действующие значения генерируемых (авто-)трансформатором ВГ тока определяются в соответствии с представленным на рис. 3 алгоритмом для фактических условий работы (авто-)трансформатора. Коэффициент трансформации (авто-)трансформатора &г(п) Д™ ВГ нулевой последовательности также определяется по представленному на рис. 3 алгоритму. В отсутствие данных о конструкции трансформатора, а также для групп однофазных (авто-)трансформаторов значение кт(п} определяется по номинальным напряжениям

Выводы по главе:

1. Предложена математическая модель силового автотрансформатора 220/110 кВ мощностью 125 MB А, с помощью которой расчетным путем получен спектр тока холостого хода автотрансформатора, а также проведена оценка влияния на токи высших гармоник, генерируемых автотрансформатором, различных факторов:

• Значения приложенного напряжения основной частоты;

• Значения эквивалентного сопротивления системы;

• Нагрузки автотрансформатора и ее характера;

• Наличия высших гармоник в спектре напряжения сети.

2. Проведены натурные эксперименты на автотрансформаторах 220/110 кВ, результаты которых соответствуют полученным на имитационной модели. Подтверждено соответствие оригиналу разработанной модели автотрансформатора,

3. Исследованы особенности распространения высших гармоник нулевой последовательности через автотрансформатор и показано, что коэффициент трансформации для высших гармоник напряжения, кратных трем, зависит от расположения источника ВГ относительно автотрансформатора.

4. Представлен алгоритм определения параметров схемы замещения силовых трансформаторов на частотах высших гармоник, учитывающий возможности проведения измерений на моделируемом силовом трансформаторе и наличие данных о его конструкции.

гармониках.

обмоток:

_ , _ ^номНН 'Т(л) — Тном - jj

(4)

В третьей главе «Влияние воздушных линий электропередачи 220-750 кВ на качество электроэнергии» представлены результаты натурного эксперимента на действующей ВЛ 500 кВ, целью которого является оценка влияния коронного разряда на проводах ВЛ на искажение формы кривой напряжения, а также математическая модель воздушной линии электропередачи как источника высших гармоник тока при наличии коронного разряда на ее проводах.

С целью оценки влияния ВЛ на КЭ проведен натурный эксперимент на действующей ВЛ 500 кВ протяженностью 49 км, схема которого представлена на рис. 5. Суть проведенного эксперимента заключается в непрерывном измерении действующих значений ВГ тока и напряжения при переводе отключенной В Л 500 кВ сначала в режим одностороннего включения на шины ПС 1 (включение выключателя СИ), а затем при включении ее в транзит (включение выключателя 02). Измерение спектра тока ВЛ в исследуемых режимах осуществлялось при прямом подключении СИ ПКЭ ко вторичным цепям трансформаторов тока без использования токоизмерительных клещей для повышения точности результатов измерений.

ПС 1 „, ВЛ 500 кВ ПС 2

-о-Н

Рис. 5. Схема проведения натурного эксперимента на действующей воздушной линии

электропередачи 500 кВ.

Значения гармонических составляющих токов и напряжений, полученные в ходе эксперимента, представлены в таблице 3. Показаны действующие значения нечетных гармоник с 1 по 7; действующие значения ВГ тока и напряжения более высокого порядка, так же, как и четных гармоник, незначительны.

Таблица 3. Результаты эксперимента по оценке влияния короны на ВЛ 500 кВ

на качество электроэнергии — фаза «А».

Режим ПКЭ п

1 3 5 7

ВЛ отключена и(п), В 294617 575 2287 583

1(п), А 0 0 0 0

ВЛ в режиме одностороннего включения им, В 295463 586 2457 667

кп)>А 60,8 0,1 0,6 0,2

ВЛ включена в транзит Ом, в 295001 393 1966 696

А 298,4 0,7 1,0 0,2

Для оценки влияния короны на уровни «-ой гармоники тока и напряжения

предлагается представлять ВЛ в виде цепочечной схемы замещения, составленной из П-образных звеньев, дополненных источниками тока ВГ У(„/2, включенными параллельно емкостям между фазой и землей. Электрическая схема звена модели

гармонической составляющей тока и напряжения.

Ток источников ВГ тока У(л) может быть рассчитан через потери активной мощности на корону:

<5)

где потери активной мощности на корону на всей линии ДРкор определяются по известным методикам, / - протяженность моделируемого участка ВЛ, /л - общая протяженность ВЛ, а ц{п) - безразмерный коэффициент, показывающий отношение действующих значений тока п-ой гармоники активной составляющей тока основной частоты в токе короны. Значения этого коэффициента для 3 и 5-й гармоник могут быть получены по кривым на рис. 7, а значение коэффициента для 7-й гармоники может быть принято в три раза меньшим соответствующего

коэффициента для 5-й гармоники.

'1

7(3)

1С)

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 [/л / {/„, 0.е.

Рис. 7. Зависимость коэффициентов от относительного напряжения на линии.

ит - амплитуда приложенного к линии напряжения; Щ - начальное напряжение

короны.

На предложенной математической модели высоковольтной ВЛ проведена серия вычислительных экспериментов, целью которых является оценка возможного влияния коронного разряда на проводах линии на искажение формы

кривой напряжения. Схема сети, на которой проведены вычислительные эксперименты, представлена на рис. 8.

Система 1 ВЛ Система 2

©+°-Ч-©

Рис. 8. Схема электрической сети, использованная при проведении вычислительного

эксперимента.

Эквивалентные индуктивные сопротивления двух систем, связанных моделируемой ВЛ переменной протяженности, приняты равными и рассчитаны для ряда принимаемых значений тока трехфазного КЗ. Источником высших гармоник является моделируемая ВЛ; прочие источники ВГ тока в связанных линией системах отсутствуют. На всей протяженности моделируемой ВЛ погодные условия одинаковы: -20 °С, 760 мм рт. ст., изморозь. Напряжение принято неизменным на всей протяженности моделируемой ВЛ как по фазе, так и по действующему значению.

В результате проведенных вычислительных экспериментов показано, что ВГ тока, создаваемые коронным разрядом на проводах высоковольтных линий электропередачи, при интенсивном коронировании (в условиях изморози), повышенном напряжении основной частоты и возникновении условий для резонанса могут стать причиной появления ВГ напряжения в узлах сети, сопоставимых с предельно допустимыми значениями, указанными в действующих стандартах. В качестве примера на рис. 9 показаны результаты моделирования ВЛ 500 кВ на 5-й гармонике.

Рис. 9. Результаты вычислительного эксперимента на ВЛ 500 кВ на 5-й гармонике.

Выводы по главе:

1. Проведен натурный эксперимент на действующей воздушной линии 500 кВ, по результатам которого:

• Предложен способ выделения тока короны из экспериментально зафиксированного тока, стекающего с линии в режиме одностороннего включения;

• Определен спектр тока короны в условиях эксперимента и произведена оценка влияния короны на проводах исследуемой линии на ухудшение КЭ в электрической сети по и-ой гармонической составляющей тока и напряжения;

• Показано, что за счет объемного заряда, возникающего в пространстве вокруг проводов фаз ЛЭП под действием коронного разряда, в условиях эксперимента эквивалентная емкость фаз исследуемой ВЛ превышает геометрическую примерно на 9%;

2. Предложена математическая модель воздушной линии электропередачи 220-750 кВ, которая позволяет оценить воздействие коронного разряда на проводах линии на КЭ по и-ой гармонической составляющей напряжения в электрической сети.

В четвертой главе «Методика оценки влияния основного оборудования электрических сетей 220-750 кВ на искажение формы кривой напряжения» приводится описание разработанной методики, а также пример ее применения для тестовой электрической сети.

Расчет действующих значений ВГ напряжения в узлах сети, создаваемых основным оборудованием электрических сетей, производится по следующему алгоритму:

1. Подготовка математической модели исследуемой электрической сети для расчета установившихся режимов.

2. Расчет установившегося режима (УР) исследуемой сети на основной частоте. Результатом расчета являются модули и фазы напряжения основной частоты в узлах сети, а также перетоки мощности по сетевым элементам.

3. Выделение исследуемого участка сети — эквивалентной электрической сети — с целью снижения размерности модели сети и упрощения расчетов.

4. Подготовка модели (моделей) сети для оценки влияния основного оборудования электрических сетей на КЭ по и-ой гармонической составляющей напряжения в узлах эквивалентной сети:

• Моделирование синхронных генераторов электрических станций;

• Моделирование BJI 220 кВ и выше; задание источников тока ВГ на моделях ВЛ в соответствии с заданными или фактическими погодными условиями, конструкцией фаз, фактических напряжений и фазовых углов напряжения по концам ВЛ;

• Моделирование В Л 150 кВ и ниже;

• Моделирование силового трансформаторного оборудования 220 кВ и выше; задание источников тока ВГ на моделях трансформаторов в соответствии с уровнями напряжения на обмотках ВН, эквивалентным индуктивным сопротивлением сети в соответствующих узлах, нагрузкой трансформаторов и ее характера;

• Моделирование силового трансформаторного оборудования 150 кВ и ниже;

• Моделирование средств компенсации реактивной мощности;

• Моделирование нагрузки.

5. Расчет режима эквивалентной сети на частотах ВГ (по каждой гармонике) с учетом токов высших гармоник, генерируемых силовым трансформаторным оборудованием;

6. Расчет режима .эквивалентной сети на частотах на ВГ (по каждой гармонике) с учетом токов высших гармоник, генерируемых воздушными линиями электропередачи и силовым трансформаторным оборудованием;

7. Представление результатов в виде КщП) либо действующих значений ВГ напряжения в рассматриваемых узлах сети.

В качестве примера применения разработанной методики рассмотрена электрическая сеть, построенная на базе 14-узловой тестовой схемы IEEE, однолинейная схема которой и параметры входящего в ее состав электросетевого оборудования представлены на рис. 8. Для расчетов ВГ тока короны приняты следующие условия: тип погоды — сухой снег; температура окружающего воздуха — -10 °С; высота расположения электрической сети — до 500 м над уровнем моря.

2 X ТДЦ-125000/220 РР) АС-300/39,145 км { I 3

2ХТВФ-100-2 @© I

Рис. 8. Однолинейная схема и параметры основного оборудования рассматриваемой

электрической сети.

Результаты расчетов действующих значений ВГ напряжения, проведенных в соответствии с разработанной методикой, представлены в таблице 4.

Таблица 4. Действующие значения высших гармоник напряжения, создаваемых основным оборудованием 220 кВ и выше, в узлах исследуемой электрической сети.

Узел Трансформаторное оборудование Трансформаторное оборудование и воздушные линии электропередачи

Щ), кВ U{ 5), кВ Um, кВ г/(з>, кв U( s„ кВ Щ), кВ

1 6,0 -10"3 7,2-10"3 1,7-10"3 0,1 3,2-Ю-2 9,5-10°

2 5,9-Ю-3 7,3-10"3 1,8-10'3 0,1 3,2-Ю-2 1,0-Ю-2

3 6,1-Ю'3 9,5-10"3 2,9-Ю-3 од 3,8-10'2 1,3-Ю-2

4 5,9-10'3 8,8-10"3 2,2-Ю-3 0,1 3,9-10'2 1,3 -Ю-2

5 5,8'10'3 8,7-10"3 2,1-10"3 0,1 3,8-Ю-2 1,2-10"2

6 2,9-10'3 4,6-10"3 1,1-10"3 0,05 1,9-Ю-2 6,5-10"3

9 2,9'Ю-3 4,7-Ю-3 1,2-10"3 0,05 2,0- Ю-2 6,8-10"3

10 2,8- Ю-3 4,6-Ю-3 1,2-10"3 0,05 2,0-10"2 6,8-10"3

11 2,8-10"3 4,6-Ю-3 1,1-Ю"3 0,05 1,9-Ю-2 6,7-10'3

12 2,8-Ю-3 4,6-10"3 1,2-10"3 0,05 2,0-Ю-2 6,9-10"3

13 2,8-10"3 4,7-Ю-3 1,2-10° 0,05 2,0-Ю-2 6,9-Ю-3

14 2,7-10° 4,7-10"3 1,2-Ю-3 0,05 2,0-Ю-2 7,1-Ю-3

Значения Ки{п], рассчитанные по действующим значениям ВГ напряжения из таблицы 4, во всех рассматриваемых узлах сети не превышают 0,1%. Значения коэффициентов искажения синусоидальности формы кривой напряжения в узлах сети также не превышают 0,1%, что говорит о том, что основное оборудование рассматриваемой электрической сети в заданных условиях не оказывает существенного влияния на форму кривой напряжения в узлах сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель силового трансформатора как источника высших гармоник тока. С использованием разработанной модели выявлены зависимости генерируемых им ВГ тока от действующего значения приложенного к обмоткам напряжения основной частоты, искажения формы кривой приложенного напряжения, нагрузки трансформатора и ее характера, и эквивалентного индуктивного сопротивления электрической сети в точке присоединения трансформатора.

2. Разработана методика проведения эксперимента по измерению спектра тока холостого хода и выполнены натурные эксперименты на действующих силовых автотрансформаторах 220 кВ. Результаты экспериментов показали соответствие разработанной модели оригиналу.

3. Разработан алгоритм определения параметров схемы замещения силового трансформатора на частотах ВГ, который позволяет как при наличии, так и в отсутствие данных о конструкции электромагнитной части трансформатора представить его как источник ВГ тока при расчетах распространения ВГ в электрической сети.

4. Разработана математическая модель воздушной линии электропередачи как источника ВГ тока. На модели ВЛ показано, что в условиях интенсивного коронирования при резонансе ВЛ могут стать причиной возникновения ВГ напряжения на шинах узловых подстанций (полученные в ходе вычислительного эксперимента значения коэффициентов 3, 5 и 7-й гармоник напряжения достигают соответственно 0,7%, 2,5% и 1,3%).

5. Разработана методика проведения эксперимента по измерению спектра тока короны и проведен натурный эксперимент на действующей воздушной линии электропередачи 500 кВ. Результаты эксперимента подтвердили достоверность разработанной математической модели ВЛ.

6. Представлена разработанная методика оценки влияния основного оборудования электрических сетей 220 кВ и выше на искажение формы кривой напряжения. Приведен пример применения разработанной методики для электрической сети 110-220 кВ.

20 т

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ: 7

1. Исследование влияния короны в электропередачах на качество электроэнергии по и-й гармонической составляющей тока и напряжения / Шаров Ю. В., Насыров Р. Р., Олексюк Б. В., Симуткин М. Г., Тульский В. Н., Шамонов Р. Г. // Электричество, 2013. — № 6. — С. 8-13. ISSN: 0013-5380.

2. Исследование влияния источников высших гармоник на качество электроэнергии в электроэнергетических системах 220-500 кВ / Карташев И. И., Насыров Р. Р., Олексюк Б. В., Симуткин М. Г., Тульский В. Н., Шамонов Р. Г. // Электричество, 2013. — № 1. — С.13-18. ISSN: 0013-5380.

3. Исследование влияния режимов работы автотрансформаторов на качество электроэнергии / Шаров Ю. В., Насыров Р. Р., Олексюк Б. В., Симуткин М. Г., Тульский В. Н., Шамонов Р. Г. // Электричество, 2014. — № 6. — С. 10-19. ISSN: 0013-5380.

4. Потери активной мощности в источниках реактивной мощности на базе управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов / Карымов Р. Р., Олексюк Б. В., Сафиуллин Д. X. // Электротехника, 2012. — № 10. — С. 15-18. ISSN: 0013-5860.

5. Bazilev В., Bespalov V., Dyagileva S., Makarov P., Makarova M., Oleksyuk B. Dual scheme based mathematical modeling of Magnetically Controlled Shunt Reactors 6500 kV // Proceedings of Electric Power Quality and Supply Reliability Conference, 2012. —pp. 37-40. ISBN-13: 978-1-4673-1979-9.

Подписано в печать оз. ю< аомг Заказ Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13.

Тир. 100 Печ.л. 1,25