CC BY
122
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311.1.004.12
Панова Е.А., Григорьева М.В., Малафеев A.B., Буланова О.В., Игуменщев В.А.
АНАЛИЗ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЖИМАХ НЕСИММЕТРИЧНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В СЕТЯХ 110-220 КВ МАГНИТОГОРСКОГО ЭНЕРГОУЗЛА
Расчет токов короткого замыкания является одной из основных и наиболее распространенных инженерных задач, решаемых как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий. Постоянный рост нагрузок и, как следствие, рост трансформаторных мощностей, сечений проводов воздушных линий и жил кабелей приводит к увеличению токов несимметричных и трехфазных коротких замыканий. Кроме того, развитие собственных источников электроэнергии и усложнение структуры заводских сетей электроснабжения на крупных предприятиях с одновременным ростом нагрузки и токов короткого замыкания делают задачу расчета режимов короткого замыкания при планировании нормальных и ремонтных эксплуатационныхсхем весьма актуальной.
В значительной мере определяют надежность электроснабжения потребителей сети 110-220 кВ, поэтому важным является анализ вероятных аварийных режимов, среди которых существенную долю составляют различные виды однократной поперечной несимметрии (однофазные короткие замыкания (КЗ), двухфазные КЗ, двухфазные КЗ на землю). Вероятность возникновения повреждений такого рода значительно выше, чем трехфазных КЗ. Результаты анализа необждимы для выбора параметров срабатывания и оценки чувствительности релейной защиты, для проверки проводов ЛЭП и гибкой ошиновки на схлестывание при КЗ, для оценки коммутационной способности выключателей по току однофазного КЗ в сетях с заземленной нейтралью.
Магнитогорский энергоузел характеризуется наиболее сложной конфигурацией сетей 110-220 кВ среди объектов промышленной электроэнергетики. Сети 110 кВ образуют кольцевую сеть, связывающую четыре узловые подстанции (№ 90, 60, 77, 30), узел электростанций ЦЭС и ПВЭС, узел ТЭЦ. На настоящее время кольцевая сеть разомкнута в двух точках в целях снижения токов КЗ. Кроме того, линии 220 кВ образуют совместно с сетями 110 кВ два замкнутых контура (рис. 1). От узловых подстанций и линий 110 кВ питается 30 понизительных подстанций, режим нейтрали трансформаторов которых определяет уровень токов КЗ на землю.
В работе выполнен анализ влияния наиболее важных факторов - конфигурации электрической сети и режима нейтралей трансформаторов - на уровень токов короткого замыкания и остаточных напряжений при несимметричных КЗ. Анализ проводился при помощи программы [1], разработанной на кафедре ЭПП МГТУ и основанной на использовании модифицированного метода последовательного эквивалентирова-ния для расчета установившихся режимов [2]. Расчеты выполнялись для токов и напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей, а также аварийной и здоровой фазы на шинах 110 кВ и 220 кВ узловых подстанций и системной подстанции «Сме-ловская», шинах 220 кВ подстанций № 86 и «Магнитогорская», шинах 110 кВ ТЭЦ и ЦЭС. Анализ изменения токов КЗ в сети 110 кВ для различных сжм и режимов заземления нейтралей силовых трансформаторов произведен на основе сравнения существующей схемы МЭУ при действующем режиме заземления нейтралей трансформаторов с другими вариантами конфигурации этой схемы.
В разомкнутой схеме, когда нейтрали всех силовых трансформаторов разземлены, токи КЗ прямой и обратной последовательностей практически не изменяются. Это вызвано тем, что не изменились условия для их протекания. Уровень токов нулевой последовательности снижается примерно на 50% из-за увеличения сопротивления нулевой последовательности, вызванного разземлением нейтралей силовых трансформаторов. В данном случае контур протекания токов нулевой последовательности образован только заземленными нейтралями автотрансформаторов. В связи со снижением уровня токов нулевой последовательности снижается уровень суммарных токов КЗ. В разомкнутой схеме в режиме, когда нейтрали всех силовых трансформаторов заземлены, уровень токов КЗ прямой и обратной последовательностей практически не меняется аналогично режиму с разземлен-ными нейтралями силовых трансформаторов. Уровень токов нулевой последовательности увеличивается на 10-230% в результате того, что значительно снижается сопротивление нулевой последовательности из-за большого количества заземленных нейтралей силовых трансформаторов. Вследствие увеличения токов
КЗ нулевой последовательности увеличивается уровень суммарных токов КЗ.
В кольцевой схеме при действующем режиме заземления нейтралей трансформаторов уровень токов КЗ прямой и обратной последовательностей увеличивается на 50-80%, а уровень токов КЗ нулевой последовательности и уровень суммарных токов увеличивается на 50-100%. Это объясняется тем, что создан дополнительный контур для протекания всех токов. В режиме, когда нейтрали всех силовых трансформаторов разземлены, уровень токов КЗ прямой и обратной последовательностей увеличивается на 10-80%. Это объясняется аналогично изменению уровней токов в кольцевой сети с действующим режимом заземления нейтралей трансформаторов. Уровень токов нулевой последовательности и суммарных токов снижается на 5-35%, так как нейтрали силовых трансформаторов разземлены и токи нулевой последовательности замыкаются только через нейтрали автотрансформаторов и по дополнительному контуру 110 кВ. В режиме, когда нейтрали всех трансформаторов заземлены, уровень токов прямой и обратной последовательности увеличивается на 10-80% из-за того, что образовался дополнительный контур. Уровень токов нулевой последовательности и, как следствие, уровень суммарных токов увеличивается на 50-350% из-за снижения сопротивления нулевой последовательности и появления дополнительного контура для протекания токов. Характер изменения токов КЗ показан на рис. 2.
Характер изменения токов КЗ в сети 220 кВ показан на рис. 3.
В разомкнутой схеме, когда нейтрали всех силовых трансформаторов разземлены, токи КЗ прямой и обрат-
ной последовательностей практически не изменяются. Это связано с тем, что условия для протекания данных токов остаются неизменными. Уровень токов нулевой последовательности снижается на 10-60% в результате значительного увеличения сопротивления нулевой последовательности. Уровень суммарных токов снижается в связи с уменьшением значений токов нулевой последовательности. В случае, когда нейтрали всех силовых трансформаторов заземлены, токи КЗ прямой и обратной последовательностей практически не изменяются. Уровень токов нулевой последовательности возрастает на 5-13% в результате значительного уменьшения сопротивления нулевой последовательности. Уровень суммарных токов при этом возрастает.
В кольцевой схеме при действующем режиме заземления нейтралей уровень всех токов КЗ увеличивается на 0,5-10%. Это объясняется тем, что создается дополнительный контур в сети 110 кВ для протекания всех токов, оказывающий, однако, незначительное влияние на сеть напряжением 220 кВ. В режиме, когда нейтрали всех силовых трансформаторов разземлены, уровень токов КЗ прямой и обратной последовательностей увеличивается на 3-10%. Это объясняется аналогично изменению уровней токов в кольцевой сети с действующим режимом заземления нейтралей трансформаторов. Уровень токов нулевой последовательности и суммарных токов снижается на 10-40%, так как нейтрали всех силовых трансформаторов разземлены и токи нулевой последовательности трансформируются в сеть 110 кВ через автотрансформаторы и замыкаются по дополнительному контуру.
В режиме, когда нейтрали всех трансформаторов заземлены, уровень токов прямой и обратной последо-
ОЭС Средней Волги
X ЯП кВ
Ириклинская ГРЭС
5Ш кВ X
ПС «Шагол »
X ЗИП кВ
ПС 96 11 ап □ кВ
2Чр25 11В А
ншэбкВ
2Тр 63НШ В А
ПОЛО кВ 2*Тр 5П ШВА
I I I ю л I I
11П кВ ИЭ С 191 МВт 110/10 кВ 11 □ кВ ТЭЦ 330 МВт ПОЛО [В
1Тр 40 МВА 1Тр 80 МВА 4Т р 6 3 М В А 1Тр 80 МВА 2Тр 60 МВА ЗТр 63 МВА
Рис. 1. Упрощенная схема Магнитогорского энергоузла на напряжениях 110-500 кВ -------------------------------------------------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2010. № 4.
вательности увеличивается на 0,5-10%. Уровень токов нулевой последовательности и, как следствие, уровень суммарных токов повысился на 5-15%. Такое незначительное изменение объясняется тем, что в сети 220 кВ установлены только автотрансформаторы, поэтому на токах КЗ мало сказывается режим заземления нейтралей трансформаторов и конфигурация сети 110 кВ.
В действующей схеме в сети 110 кВ наибольший уровень токов короткого замыкания наблюдается на шинах подстанции № 30. Ток прямой последовательности достигает величины 18,83 кА при двухфазном замыкании на землю, ток обратной последовательности -14,48 кА при двухфазном замыкании. Ток нулевой последовательности достигает уровня 26,25 кА, суммарный ток - 45,56 кА. В сети 220 кВ максимальный уровень токов наблюдается на шинах подстанции «Магнитогорская». Наибольшее значение тока прямой последовательности - 24,48 кА при двухфазном замыкании на землю. Ток обратной последовательности достигает значения 18,43 кА при двухфазном замыкании. Ток нулевой последовательности достигает уровня 43,87 кА.
На основе анализа изменения уровней токов можно сделать вывод, что режим заземления нейтралей является определяющим для уровней токов нулевой последовательности и, как следствие, суммарных токов. В сети 110 кВ конфигурация сети оказывает существенное влияние на уровни токов всех последовательностей, в то время как в сети 220 кВ не происходит значительного изменения уровней токов КЗ при смене конфигурации сети 110 кВ.
Не менее важными параметрами режимов несимметричных КЗ являются напряжения симметричных
Токи нулевой последовательности и суммарные токи в сети 110 кВ
. 100%: 1а, Ш;9.4ю ЗЗкА 62,14<А
Ш}%;
7, ^КА
165' Ь; 42,2410е
450%; &4,74<А
1 1 1 1
□ существующая схема, действующий режим ЗСЗ*млЄпия м&мірйлйй
■ существующая схема,
иейтрсілм рсзэемлены
□ существующая схема.
нейтрали заземлены
□ кольцо, действующий режим заземления
нейтралей
■ кольце, мейірали
розэвмлены
□ кольцо, нейтрали
заземлены
0% 100% 200% 300% 400% 50С%
Рис. 2. Характер изменения токов КЗ в сети 110 кВ
Токи нулевой последовательности и суммарные токи в сети 220 кВ
□ существующая схема, действующий режим ■заземления нейтралей
■ существующая схема, нййірСіли раиемлбны
□ СущвСтеуЮщОй СхвмО, нейірали заземлены
к А □ кольцо, дейсгнующуй
режш южллешн
ыэйгралвй
□ колщо. нейтрала разэемлеыы
□ кольцо, нейтрали мземлёш
составляющих Остаточное напряжение прямой последовательности определяет условия работы электроприемников, величины напряжений обратной и нулевой последовательности необждимы для определения параметров срабатывания релейной защиты (фильтровые высокочастотные защиты, ТЗНП с органами направления мощности нулевой последовательности и др.).
Остаточное напряжение прямой последовательности зависит от электрической удаленности подстанции от точки короткого замыкания. Чем менее удалена подстанция от точки короткого замыкания, тем сильнее влияние этого короткого замыкания на напряжение на ее шинах Нагрузку обратной последовательности создают вращающиеся электрические машины. Чем больше сопротивление обратной последо-
50% 100% 150%
Рис. 3. Характер изменения токов КЗ в сети 220 кВ
Рис. 4. Зависимость остаточного напряжения нулевой последовательности на шинах подстанции от сопротивлений линий и количества заземленных нейтралей трансформаторов
Tnöäö'mTä TäVSyffiäieä Та 0eiaö 110 eÄ Ї5е eTSTöeT 1 gä lüeäiee
iä 0eiäö 110 eÄ ЇТ änöäiöee № 60
Э5,еП;<11,71 ка 35.28%; 41.4 ¡кВ
28,
27,Е
5%; ЗЭ,56<а 32,29ісВ
1.27ЭЫЭ.011 :В
І Ґ 1(1//%; 12,68« Г Й^І^ІКВ
1 1.98%:|2.29кБ
83ДОЬ;95,ВкВ 72.4*%: 87,31 к&
71,! П; 62,21 кВ
в?.й4' Ь; 103.53®
10mt;120,6i 100%: 114. К 100%; 115,4?
■ Напряжение в нормально м режиме работы на шинах 110 кВ годстанции "Смеловская"
□ Напряжение в нормально м режиме работы на шинах 110 кВ годстанции №30
□ Напряжение в нормально м режиме работы нашинах 110 кВТЭЦ
■ Суммарное остаточное нагряжение на ш инах 110 кВ подстанции "С мэловская"
□ Суммарное остаточное нагряжение на шинах 110 кВ годстанции №30
□ Суммарное остаточное нагряжение нашинах 110 кВТЭЦ
■ Остаточное напряжение прямэй поспедсеательностша на шинах 110 кВ подстанции" Смеловс кая"
□ Остаточное напряжение прямэй поспедсеательности на шинах 110 кВ подстанции № 30
□ Остаточное напряжение прямой поспедсеательности на шинах 110 кВ ТЭЦ
■ Остаточное напряжение обратной поспедсеательности на шинах 110 кВ подстанции" Смеловс кая"
□ Остаточное напряжение обратной поспедсеательности на шинах 110 кВ подстанции № 30
□ Остаточное напряжение обратной поспедсеательности на шинах 110 кВ ТЭЦ
■ Остаточное напряжение нулевой поспедсеательности на шинах 110 кВ подстанции "Смеловская"
□ Остаточное напряжение нулевой поспедсеательности на шинах 110 кВ подстанции № 30
□ Остаточное напряжение нулевой поспедсеательности на шинах 110 кВ ТЭЦ
Рис. 5. Уровни остаточных напряжений при КЗ на шинах 110 кВ ПС № 60
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
вательности, тем больше напряжение обратной последовательности .
Напряжение нулевой последовательности определяется наличием заземленных нейтралей трансформаторов в сети (рис. 4, а). Чем больше заземленных нейтралей, тем меньше эквивалентное сопротивление нулевой последовательности (рис. 4, б), т.к. в схеме замещения они складываются в параллель и, следовательно, напряжение нулевой последовательности будет меньше. Также напряжение нулевой последовательности зависит от удаленности подстанции от точки короткого замыкания (рис. 4, в).
На диаграмме (рис. 5)
приведены уровни остаточных напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей при КЗ на шинах 110 кВ ПС № 60.
Для ТЭЦ и ЦЭС одним из наиболее тяжелых режимов следует считать то короткое замыкание, при котором остаточное напряжение прямой последовательности на шинах электростанции опустится ниже критического уровня. Для ТЭЦ (пылеугольная электростанция) критический уровень напряжения прямой последовательности составляет 55% напряжения в нормальном режиме, для ЦЭС (топливо - газовая смесь) - 65%. Если остаточное напряжение прямой последовательности на шинах электростанции будет ниже критического, то не смогут работать собственные нужды электростанции. Так, для ТЭЦ и ЦЭС в качестве наиболее тяжелых режимов можно выделить режимы двухфазного КЗ на землю на шинах 110 кВ ПС№ 30 (остаточное напряжение прямой последовательности снижается до уровня 35,1%) и двухфазного КЗ на землю на шинах 110кВ ПС № 96 (остаточное напряжение прямой последовательности снижается до уровня 38,7%).
Анализ величин остаточных напряжений показал, что в основном все полученные результаты объясняются электрической удаленностью подстанции от точки КЗ, но электрическая удаленность не всегда очевидна. Например, при коротком замыкании на шинах 110 кВ ПС № 60 в сети 110 кВ наибольшее остаточное напряжение обратной последовательности наблюдается на шинах ЦС «Смеловская». Для обоснования полученных результатов был проведен расчет падений напряжения по схемам замещения участков ПС № 60-ПС № 30 и ПС № 60-ПС «Смеловская».
Как показали расчеты, в целом ряде случаев определяющим является не электрическая удаленность подстанции от точки КЗ, а такие факторы, как близость энергосистемы, суммарная мощность трансформаторов
с заземленными нейтралями или близость генераторов собственных электростанций. Так, например, при КЗ на шинах 110 кВ ТЭЦ в режиме разземления нейтралей трансформаторов 110 кВ наибольшее значение напряжения нулевой последовательности в сети 220 кВ наблюдается на ПС-77, наименьшее - на шинах ПС «Смеловская», жтя территориально эта подстанция является наиболее удаленной. Такое соотношение объяснжтся в данном случае малым сопротивлением нулевой последовательности автогрупп 500/220 кВ.
Проведенный анализ величин токов КЗ и напряжений симметричных составляющих необждим для определения параметров срабатывания и проверки по чувствительности релейной защиты, для выбора оборудования и режима заземления нейтралей, нормальных эксплуатационных схем. Результаты работы могут быть использованы в работе служб расчета и анализа режимов и служб релейной защиты и автоматики промышленныхэлектрических сетей.
Список литературы
1. Программа «Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов параллельной и раздельной работы с энергосистемой, режимов короткого замыкания и режимов замыкания на землю с оценкой влияния на электрооборудование в системах электроснабжения промышленных предприятий»: свидетельство 2008610273 РФ / Игумен-щев В.А., Малафеев A.B., Еуланова О.В., Роганова Ю.Н., Зиновьев В.В. ОЕПБТ. 2008. № 2. С. 186.
2. Модифицированный метод последовательного эквиваленти-рования для расчета режимов сложных систем электроснаб-жения / Игуменщев В.А., Заславец Б.И., Малафеев A.B., Бу-ланова О.В., Роганова Ю.Н. // Промышленная энергетика. 2008. № 6. С. 16-22.
Bibliography
1. Computer program «Calculation and optimization of the steady and transient operating conditions of parallel and separate operation with an electric power system and modes of earth-fault with an evaluation of influence on an electric equipment in electrosupply systems of industrial works»: A.c. 2007611306 RF. / V.A. Igu-menschev, V.V. Zinovyev, A.V. Malafeev, O.V. Bulanova. - Pub-
lished in the bulletin «Computer programs and databases and integral chip topologies», 2007, No 2.
2. Igumenschev, V.A. Modified method of successive reduction for calculation of electric power supply composite systems modes [Text]/ V.A. Igumenschev, B.I. Zaslavets, A.V. Malafeev, O.V. Bulanova, Y.N. Rotanova // Industrial power engineering. 2008. No 6. P. 16-22.
УДК 669.154 Нешпоренко Е.Г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРНИССАЖНОГО РЕЖИМА РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ПЕРФОРИРОВАННОЕ ОГРАЖДЕНИЕ УСТАНОВОК
Учет тепловых потерь в окружающую среду во многом определяет видимый расход топлива на процесс. Особенно это актуально для тех процессов, в которых топливо не может быть полностью использовано, например в восстановительных.
Анализ ограждений реакторов жидкофазного восстановления железа и других реакторов, работающих с расплавными системами, по литературному обзору показал, что надежное их функционирование достигается за счет применения соответствующих огнеупоров. При этом имеет место ограниченный срокихэксплуатации.
При помощи организации защитного слоя гарнис-сажа на внутренней поверхности ограждения создается возможность форсирования процесса и становится неограниченным срок его эксплуатации. Однако в этом случае в тепловом балансе реактора значительно увеличивается статья тепловых потерь в окружающую среду и может достигать 20-75% [1-4], что приводит к большому увеличению расхода первичного энергоресурса на процесс.
Принципиально возможно снизить тепловые потери через ограждения путем активного воздействия на тепловой поток. Очевидно, что необждимо такое решение, при котором тепловой поток через ограждение возвращался бы в реакционное пространство, и было бы возможно образование гарниссажа. Для достижения поставленной цели предлагается использовать перфорированное ограждение, то есть в ограждении с определенным шагом выполняются отверстия, по которым в расплав, содержащийся в реакторе, поступает холодный газообразный энергоноситель. Газообразный энергоноситель нагревается от стенок отверстия и тем самым возвращает обратно в реактор часть энергии, ранее теряющейся в окружающую среду.
Задача исследования работы перфорированного ограждения при контакте с расплавом является новой и не исследованной ранее, что и подтверждает ее научную новизну.
Анализ функционирования перфорированного ограждения в условиях обработки
расплавнои системы приводит к трем принципиально возможным режимам работы: догарниссажный, гарнис-сажный и смешанный.
Догарниссажный режим работы перфорированного ограждения предполагает, что жлодный газообразный энергоноситель, проходя по отверстию, успевает нагреться до температуры, превышающей температуру плавления гарниссажа [5].
Гарниссажный режим работы перфорированного ограждения предполагает, что холодный газообразный энергоноситель, проходя по отверстию, не успевает нагреться до температуры, превышающей температуру плавления гарниссажа. При этом вокруг отверстия на поверхности ограждения, контактирующего с расплавом, возникает гарниссаж, который полностью покрывает поверхность.
Смешанный режим в данной работе не исследуется.
Исследования теплообмена газовой струи и гарниссажа проводились на экспериментальной установке, предназначенной для «холодного» моделирования, в лаборатории металлургии стали МГТУ (рис. 1). Шлаковый расплав моделируется расплавом парафина, кото-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - ванна с расплавом; 2 - отверстие для выхода отходящих газов; 3 - газовый коллектор; 4 - сменная решетка; 5 - трубки; 6 - ротаметр; 7 - газовый лопастной расходомер; 8 - регуляторы расхода газа;
9 - компрессор поршневой; 10 - термический электронагреватель; 11 - ваттметр; 11, 12, 1з - термопара № 1, 2, 3
