CC BY
173
УДК 621.311
А. А. Пузаков, В. Н. Селиванов, В. В. Колобов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАГРУЗКИ НА ТОК В НЕЙТРАЛИ АВТОТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация
Статья посвящена исследованию влияния несимметрии нагрузки на величину тока нулевой последовательности в нейтрали автотрансформатора подстанции 330 кВ «Титан» ПАО «ФСК ЕЭС». Проведенные расчеты показали, что причиной возникновения сравнительно высоких значений токов является взаимное электромагнитное влияние двух воздушных линий класса 150 кВ.
Ключевые слова:
автотрансформатор, ток нулевой последовательности, линия электропередачи, наведённое напряжение.
A. A. Puzakov, V. N. Selivanov, V. V. Kolobov
STUDY OF THE NON-SYMMETRIC LOAD IMPACT ON ZERO-SEQUENCE CURRENT IN AN AUTOTRANSFORMER
Abstract
The article investigates the zero-sequence currents in the neutral of 330 kV autotransformer. The calculations showed that the cause of the relatively high values of currents is the mutual electromagnetic coupling between two 150 kV overhead lines. Keywords:
autotransformer, zero-sequence current, overhead power line, induced voltage.
Уже в течение 10 лет на подстанции 330 кВ «Титан» Кольского сетевого района Карельского предприятия магистральных электрических сетей ПАО "Федеральная Сетевая Компания Единой Энергетической Системы" проводится регистрация токов в нейтралях автотрансформаторов 330/150/35 кВ мощностью 250 МВА. Измерения организованы Центром физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН с целью мониторинга геоиндуктированных токов (ГИТ), возникающих в электрической сети во время геомагнитных бурь, вызванных усилением солнечной активности [1]. Измеряемый ток нейтрали подвергается преобразованию Фурье, на хранение поступают значения постоянной составляющей (которая и равна геоиндуктированному току) и действующие значения первой, второй и третьей гармоник, усредненные за период времени, равный 0.1 с.
При анализе полученных данных выявлено аномально высокое значение тока 3I0 в нейтрали автотрансформаторов. Для трансформаторов такого типа и мощности (АТДЦТН-250000/330/150) в Кольской энергосистеме характерными являются значения токов нейтрали порядка первых единиц Ампер, а на подстанции «Титан» в нормальном режиме этот ток находится в диапазоне 10-20 А (в зависимости от нагрузки и величины геоиндуктированных токов), т. е. почти на порядок выше. На подстанции находятся два автотрансформатора, и токи в них одинаковые, то есть повышенный ток не является следствием особенностей конструкции одного из них.
Основными причинами возникновения токов нулевой последовательности в нейтрали автотрансформатора могут являться:
22
• несимметричная или неполнофазная нагрузка. В развитых промышленных сетях этот вид несимметрии кратковременно может возникать, но в случае подстанции «Титан» мы имеем дело с практически постоянным уровнем тока;
• наличие гармоник, кратных третьей (например, в результате воздействия геомагнитных бурь);
• влияние пофазной несимметрии линий электропередачи, подключенных к автотрансформатору.
Для выявления причины повышенных значений токов в нейтрали автотрансформаторов создана компьютерная модель подстанции 330 кВ «Титан» и прилегающего к ней участка сети. Расчеты выполнены в программе для моделирования переходных процессов в электрических цепях ATP-EMTP [2].
Подстанция «Титан» расположена вблизи г. Апатиты и обеспечивает электроснабжение одного из крупнейших в регионе промышленных предприятий - Апатитонефелиновой обогатительной фабрики, а также аэропорта Хибины в Апатитах. Подстанция получает питание от Кольской АЭС по линии 330 кВ длиной 60 км, а от подстанции отходят две линии напряжением 150 кВ к ПС-74 ОАО «Апатит» длиной 13.2 км, а также две линии напряжением 35 кВ, длиной 10 км, которые питают аэропорт.
На рисунке 1 представлена принципиальная однолинейная схема подстанции 330 кВ «Титан» с шинами связанных с ней воздушными линиями подстанций 35 и 150 кВ. На подстанцию «Титан» приходит одна линия 330 кВ, напрямую присоединенная к общей шине без коммутационных аппаратов. Две системы шин подключены к линии 330 кВ через разъединители и элегазовые выключатели. Каждый из двух автотрансформаторов АТ-1 и АТ-2 питаются от собственной системы шин. Одной из особенностей схемы подстанции «Титан» является то, что на стороне 150 кВ не предусмотрена установка выключателей. На стороне 150 кВ применена блочная схема включения линий без выключателей и ремонтных перемычек, Л-207 питается от АТ-1, Л-208 от АТ-2. На подстанции 150 кВ эти линии подключены к разным системам шин, но в нормальном режиме межшинный выключатель включен, и линии параллельно работают на одну нагрузку. Со стороны 35 кВ в нормальном режиме также используется блочная схема (ЛК-71 питается от АТ-1, а ЛК-72 от АТ-2), но в схеме присутствуют шинные и линейные выключатели, а также межшинный выключатель.
Типовыми бланками переключений определены следующие последовательности операций (на примере АТ-2):
• перевод нагрузки с АТ-2 на АТ-1 с отключением 2В Л-404;
• вывод в ремонт АТ-2;
• ввод в резерв АТ-2;
• включение АТ-2 в транзит.
Кроме того, датчиком геоиндуктированных токов в нейтрали АТ-2 были зарегистрированы аварийные коммутации, типовые переключения на АТ-1, а также режимы, возникающие при выводе в ремонт линий электропередачи. Тем не менее, далее будут рассмотрены только процессы в нейтрали автотрансформатора АТ-2 при типовых переключениях.
23
Две первые операции можно объединить в одну последовательность по выводу АТ-2 в ремонт. В этом случае в токе нейтрали автотрансформатора можно явно выделить только следующие коммутации:
• отключение ВЛ-208 на ПС-74;
• отключение 2В Л-404;
• отключение РТ-150 АТ-2.
На рисунке 2 показан пример регистрации амплитуды первой гармоники тока нейтрали автотрансформатора АТ-2 при выводе его в ремонт. До первой коммутации средняя амплитуда тока составляет 15 А. Эта величина зависит от нагрузки и изменяется в пределах от 10 до 20 А в нормальном режиме. После снятия нагрузки отключением ВЛ-208 на подстанции № 74 ОАО «Апатит» амплитуда тока падает до 4 А. Эта величина, в основном, определяется несимметрией емкостных токов линии 330 кВ и токами несимметрии холостого хода автотрансформатора. После отключения АТ-2 выключателем 2В Л-404 остается емкостной ток 0.2 А, который является следствием наведенного на линии Л-208 напряжения, который полностью пропадает после отключения РТ-150 АТ-2.
24
12:00 13:00 14:00 Время (МСК), ч:м
Рис.2. Кривая амплитуды первой гармоники тока в нейтрали АТ-2 подстанции «Титан»
Для сравнения приведем результаты измерений токов нейтрали автотрансформатора на подстанции 330 кВ «Выходной». Схема подстанции приведена на рис.3. На стороне 330 кВ использована схема «четырехугольник», на стороне 150 кВ автотрансформаторы типа АТДЦТН-250000/330/150-80У1 подключены к двум секциям шин с обходной шиной. От системы шин 150 кВ отходят 10 линий электропередачи, а также питаются два трансформатора 150/6 кВ. В нормальном режиме все межшинные выключатели включены, шины соединены между собой. Таким образом, схема принципиально отличается от схемы подстанции «Титан», что проявилось в значении тока нейтрали. На рис.4 показана кривая амплитуды тока первой гармоники в нейтрали АТ-1 на подстанции «Выходной» в момент вывода автотрансформатора в ремонт. В нормальном режиме амплитуда тока несимметрии находится в диапазоне от 2 до 5 А в зависимости от потребляемой мощности (в среднем 3 А). В результате первой коммутации выключателем от автотрансформатора отключается нагрузка со стороны 150 кВ, а затем снимается напряжение со стороны 330 кВ.
Рис.3. Однолинейная схема подстанции 330 кВ «Выходной»
Подстанция 330 кВ «Кондопога» выполнена по той же схеме, что и подстанция «Выходной», однако там установлен только один автотрансформатор мощностью 250 МВт. Амплитуда тока первой гармоники в нейтрали автотрансформатора колеблется в пределах от 1 до 3А.
25
Рис.4. Кривая амплитуды первой гармоники тока в нейтрали АТ-1 подстанции «Выходной»
На подстанции 330 кВ «Лоухи» установлены два автотрансформатора мощностью по 125 МВт каждый. Здесь, как и на подстанции «Титан», автотрансформаторы работают в блоке со своей линией, но на подстанции установлены выключатели на стороне 220 кВ, а линии имеют длину всего 3 км, поэтому амплитуда тока в нейтрали в нормальном режиме в среднем порядка 5 А, что выше, чем на подстанциях «Кондопога» и «Выходной», но в три раза меньше токов в нейтрали подстанции «Титан».
Таким образом, наиболее вероятной причиной повышенных токов несимметрии в нейтрали АТ-2 на подстанции «Титан» является блочный режим работы подстанции «трансформатор-линия», причем несимметричной нагрузкой являются именно две линии электропередачи, связанные взаимным электромагнитным влиянием.
На рисунке 5 показана модель исследуемого участка сети в программе ATPDraw (препроцессор программы ATP-EMTP). Подстанция 330 кВ представлена моделями двух трехобмоточных автотрансформаторов и коммутационными аппаратами, временные характеристики которых реализуют последовательность коммутаций, аналогичную той, что представлена на рис.2.
26
Основным преимуществом программы ATP-EMTP является то, что при моделировании воздушных линий электропередачи используются геометрические параметры конструкций опор и проводов, то есть компьютерная модель линии максимально приближена к реальному объекту. В модели учитываются взаимное расположение фазных проводов и грозотросов (до 28 проводников), в том числе относительно земли; геометрические и физические параметры проводов, в том числе расщепление, частотная зависимость параметров; удельное сопротивление грунта и т.д. На рис.6 показана конструкция преобладающих опор и взаимное расположение фазных проводов на линиях Л-207/Л-208. Как показали расчеты, именно такое, «антисимметричное», расположение проводов соседних линий привело к относительному увеличению токов в нейтралях автотрансформаторов. Если бы конструкция имела зеркальную симметрию, токи были бы на порядок меньше.
На рисунке 7 представлены результаты расчета тока в нейтрали АТ-2 при выводе его в ремонт. Как мы видим, результаты компьютерного моделирования практически совпадают с измеренными значениями.
В нормальном режиме амплитуда тока в нейтрали АТ-2 составляет 13.5 А. Примерно такой же, но противоположный по фазе ток протекает в нейтрали АТ-1, то есть это один и тот же ток нулевой последовательности, циркулирующий в контуре, образованном фазными проводами линий, и замыкающемся через нейтрали автотрансформаторов и межшинную перемычку на ПС-74. Величина этого тока зависит от величины нагрузки, а значит определяется электромагнитной составляющей взаимного влияния двух линий. После отключения линии от нагрузки на ПС-74 (момент времени 1 с) амплитуда тока в нейтрали АТ-2 снижается до 2 А. Как показали расчеты, этот ток определяется уже фазной несимметрией ВЛ 330 кВ. После отключения этой линии от АТ-2 (в момент времени 0.2 с) амплитуда тока снижается до 0.2 А, что обусловлено уже только электростатической составляющей наведенного напряжения. После отключения Л-208 от АТ-2 (в момент времени 3 с на рис.7 не показан) ток становится равным нулю.
27
Рис.7. Результаты компьютерного расчета тока в нейтрали автотрансформатора АТ-2
На рисунке 8 показаны результаты расчетов, выполненные для тех же условий, но подвеска проводов линий имеет зеркальную симметрию. Мы видим, что амплитуда тока в нейтрали АТ-2 в нормальном режиме снизилась до 0.5 А, а в остальных режимах токи не изменились, что подтверждает нашу гипотезу о причинах повышенных значений тока на подстанции «Титан».
Рис.8. Результаты компьютерного расчета тока в нейтрали автотрансформатора АТ-2 при зеркальном расположении линий
В таблице представлены результаты расчетов амплитуд и разностей фаз токов в нейтралях автотрансформаторов при различном взаимном положении фаз двух линий (всего 12 вариантов подвески проводов Л-207). Видно, что реализованный в настоящее время вариант подвески проводов является наихудшим с точки зрения амплитуды тока в нейтралях автотрансформаторов.
28
Результаты расчетов амплитуд и разностей фаз токов в нейтралях АТ
29
Снизить амплитуду токов также можно, если систему сборных шин перенести с ПС-74 на подстанцию «Титан». Как показывают расчеты, при включенном межшинном выключателе амплитуда тока в нормальном режиме составит порядка 1.5 А при прочих равных условиях, что соответствует уровню токов на подстанции «Выходной».
В заключение нужно отметить, что существующий уровень токов в нейтралях автотрансформаторов подстанции «Титан» не является опасным. Исследование выполнено в рамках выпускной квалификационной работы и позволило выяснить причину относительно высоких для данного типа автотрансформаторов значений тока нулевой последовательности.
Литература
1. Баранник М. Б. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов / М. Б. Баранник, А. Н.Данилин, Ю. В.Катькалов, В. В.Колобов, Я. А.Сахаров, В. Н.Селиванов // Приборы и техника эксперимента, 2012, № 1. С. 118-123.
2. Селиванов В. Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ, 2009. Т. 12, № 1. С. 107-112.
Сведения об авторах
Пузаков Александр Александрович
студент физико-энергетического факультета Кольского филиала Петрозаводского государственного университета
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: civilithation@mail.ru
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора по науке Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н., доцент КФ ПетрГУ
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н., доцент КФ ПетрГУ
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: 1_i@mail.ru
30
