CC BY
67
УДК 621.315.1
ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ТРЕХФАЗНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ АЛТАЙ-ИТАТСКАЯ ПРИ КОММУТАЦИИ ЭЛЕГАЗОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
© Н.В. Сизганов1, Е.Ю. Сизганова2, Р.А. Петухов3, В.В. Шевченко4
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
Рассмотрено моделирование процессов, возникающих при трехфазном автоматическом повторном включении (ТАПВ) линии 500 кВ, выполненной в габаритах 1150 кВ. Произведены расчеты и анализ коммутационных перенапряжений, возникающих при повторном включении линии. И установлено, что максимальные коммутационные перенапряжения не превышают нормированного испытательного напряжения коммутационного импульса. Исследованы условия работы нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) в режимах ТАПВ; выявлено, что для этих ОПН из-за тяжелого воздействия тока на них коммутации ВЛ с двумя и тремя шунтирующими реакторами по концам линии можно считать потенциально опасными.
Ключевые слова: апериодическая составляющая тока, воздушная линия, коммутационные перенапряжения, подстанция, трехфазное автоматическое повторное включение, шунтирующие реакторы, элегазовые выключатели.
STUDY OF THREE-PHASE AUTORECLOSING MODES OF ALTAY-ITATSKAYA ELECTRICITY TRANSMISSION
UNDER SF6 CIRCUIT-BREAKER SWITCHING
N.V. Sizganov, E.Yu. Sizganova, R.A. Petukhov, V.V. Shevchenko
Siberian Federal University,
79, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The paper deals with the simulation of processes occurring under a three-phase automatic reclosing of a 500kV line implemented in the limitations of 1150 kV. The computation and analysis of switching overvoltages arising under the liveline reclosing have been performed that allowed to find out that the maximum switching overvoltages do not exceed standardized test voltage of the switching pulse. The operation conditions of nonlinear surge arresters in three-phase automatic reclosing modes have been studied. It is revealed that due to heavy current exposure the HV switching with two and three shunt reactors at the ends of the line can be considered potentially dangerous for these surge arresters. Keywords: aperiodic component of current; overhead transmission line; switching surge overvoltages; substation; three-phase autoreclosing; shunt reactors; SF6 circuit breakers.
Опыт эксплуатации сетей высокого напряжения показал, что если поврежденную линию быстро отключить, то в большинстве случаев повреждение ликвидируется. При этом электрическая дуга, возникающая в месте короткого замыкания (КЗ), не вызывает существенных повреждений оборудования, которые не препятствуют
автоматическому повторному включению (АПВ) под нагрузку. Доля таких повреждений в воздушных линиях (ВЛ) электропередач составляет порядка 50-90%.
Для исследования процессов, происходящих при ликвидации КЗ элегазовыми выключателями в цикле трехфазного автоматического повторного включения (ТАПВ),
1
Сизганов Никита Вячеславович, магистрант, e-mail: vitz1234@gmail.com Sizganov Nikita, Master's degree student, e-mail: vitz1234@gmail.com
2Сизганова Евгения Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru
Sizganova Evgeniya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru
3Петухов Роман Алексеевич, старший преподаватель кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: rom_pet1@mail.ru
Petukhov Roman, Senior Lecturer of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: rom_pet1@mail.ru
4Шевченко Вадим Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: nosova@istu.irk.ru
Shevchenko Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: nosova@istu.irk.ru
на ВЛ-1106 Алтай-Итатская на основе принципиальной расчетной схемы создана имитационная модель электропередачи, реализованная в среде Simulink программного комплекса MATLAB [5, 7].
Исследование условий осуществления ТАПВ на ВЛ Алтай-Итатская
Рассмотрен процесс отключения однофазного короткого замыкания с помощью ТАПВ. Предполагается, что при отключении выключателя гашение дуги происходит в каждой фазе в момент прохождения тока через нулевое значение. Поскольку разброс в действии полюсов элега-зового выключателя при включении не превышает 0,001 с, то производится одновременное замыкание контактов.
Как показали предварительные расчеты, время паузы ТАПВ не сказывается на процессах при включении выключателя, поэтому для сокращения времени расчетов принимается время ЬаПВ, равное 0,25-0,35 с.
Значительная апериодическая составляющая в токах включения возникает лишь при трех шунтирующих реакторах, подключенных к ВЛ-1106. В результате проведения серии расчетов переходных процессов были найдены наиболее неблагоприятные моменты замыкания контактов после паузы ТАПВ и моменты отключения не устранившегося КЗ с точки зрения значения апериодической составляющей. Так, при неуспешном ТАПВ, когда дуга на ВЛ за паузу ТАПВ не погасла, возможно существенное затягивание процесса гашения дуги в выключателе [1, 2].
Как видно из полученных осциллограмм (рис. 1, а), ток в фазе "B" выключателя имеет значительную апериодическую составляющую и с момента подачи команды на отключение проходит через ноль лишь через 2 с. Столь длительное тепловое воздействие дуги может привести к разрушению дугогасительной камеры выключателя. Можно предположить, что именно такие процессы привели к аварии линейного выключателя на подстанции (ПС) Алтай 26.02.2007 г. при отключении однофазного КЗ с ТАПВ [4, б].
Процессы протекания значительных апериодических токов могут также возникать и при успешном ТАПВ и ложном срабатывании автоматики, подающей сигнал на отключение линии (рис. 1, б).
По полученным результатам можно сделать следующие выводы:
- значительная апериодическая составляющая тока при повторном отключении выключателя после ТАПВ может возникать как в аварийной фазе с ОКЗ, так и на остальных фазах;
- апериодическая составляющая тока при отключении выключателя может возникать при одностороннем включении линии в нормальном режиме и ложном срабатывании релейной защиты, подающей сигнал на отключение;
- на рассматриваемой линии Алтай-Итатская наибольшая апериодическая составляющая в токе отключения выключателя после его включения возникает с тремя шунтирующими реакторами на линии и при замыкании контактов в момент прохождения напряжения источника через нулевое значение;
- апериодическая составляющая в токе отключения выключателя может приводить к затягиванию по времени момента прохождения тока через нулевое значение и, следовательно, к затягиванию процесса гашения дуги на время около 1,5-2,0 с.
Снижение апериодической составляющей в токе выключателя
Согласно данным, представленным в работе [4], одним из самых эффективных средств, исключающих появление апериодической составляющей в токе при включении ВЛ с шунтирующим реактором (РШ), является применение предвключаемых резисторов. Значения резисторов могут изменяться от 200 до 1000 Ом с шагом в 200 Ом. Использование предвключаемого резистора позволяет уменьшить амплитуду и длительность затухания апериодической составляющей в токе выключателя. При использовании предвключения резисторов за определенный момент времени перед замыканием главных контактов выключателя замыкаются вспомогательные контакты,
включенные последовательно с активным сопротивлением (рис. 2). В результате этого происходит интенсивное подавление пе-
реходного процесса до замыкания главных контактов.
б
Рис. 1. Осциллограммы токов в линейном выключателе ПС Алтай: а - в режиме неуспешного ТАПВ; б - в режиме ТАПВ при ложном срабатывании РЗ
Рис. 2. Схема включения предвключаемых резисторов
В современных выключателях время предвключения варьируется от 8 до 12 мс. При моделировании время предвключения принято равным 10 мс. Расчеты проводились для случая с тремя РШ по концам ли-
нии, где наблюдается самое большое значение апериодической составляющей тока выключателя. Эффект от применения предвключаемых резисторов на ВЛ-1106 представлен в табл. 1 и на рис. 3.
Таблица 1
Время перехода тока выключателя неповрежденной фазы через ноль при одностороннем включении ВЛ-1106 Алтай-Итатская при ОКЗ со стороны ПС Итатская в случае применения предвключаемых резисторов на ПС Алтай
Сопротивление предвключаемого резистора, Ом 0 200 400 600 800 1000
Время, t, с 2,17 1,48 0 1,07 1,37 1,39
1—
" t^ZUc .............
_1_ _i_L_ _
а
i *
Рис. 3. Прохождение через выключатель в неповрежденной фазе ПС Алтай: а - без применения предвключаемого резистора; б - с применением предвключаемого резистора (сопротивление резистора - 400 Ом, время предвключения - 10 мс)
Таким образом, при времени пред-включения 10 мс и сопротивлении пред-включаемого резистора 400 Ом обеспечивается значительное снижение величины апериодической составляющей тока выключателя в неповрежденных фазах при одностороннем включении ВЛ-1106 Алтай-Итатская.
Перенапряжения при осуществления ТАПВ на ВЛ Алтай-Итатская
После паузы ТАПВ выключатели линии производят ее включение, что может приводить к значительным коммутационным перенапряжениям, так как на линии к моменту включения существуют заряды, а при высокой степени компенсации емкости линии с помощью РШ - резонансные повышения напряжения.
Исследование перенапряжений при включении ВЛ-1106 в цикле ТАПВ показало, что на отключенной с двух сторон линии существуют низкочастотные биения напряжений. Типичная осциллограмма включения линии после паузы ТАПВ с такими процессами приведена на рис. 4.
Как показали расчеты, наибольшие коммутационные перенапряжения возникают при максимальном амплитудном значении напряжения источника в момент включения линии. Результаты расчетов коммутационных перенапряжений как для успешного, так и неуспешного ТАПВ при разной комбинации РШ по концам линии приведены в табл. 2.
Рис. 4. Перенапряжения при неуспешном ТАПВ ВЛ-1106 с ОКЗ на фазе "А"
со стороны ПС Итатская
Таблица 2
Коммутационные перенапряжения и токи через ОПН_
Комбинация количества РШ на ПС Алтай / на ПС Итатская П эи успешном ТАПВ При неуспешном ТАПВ
Uмакс, кВ Knмакс, о.е. 1опн, А tимп, мкс Uмакс, кВ Knмакс, о.е. Опн, А tимп, мкс
1 / 1 815 2,00 1380 100 832 2,04 2050 1500
1 / 2 815 2,00 1387 100 820 2,01 1540 1200
2 / 1 814 2,00 1456 200 824 2,02 1710 1400
2 / 2 780 1,91 570 - 785 1,92 663 -
ис kV
500
0
-500
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
1.442 1.444 1.446 1.44S 1.45 1.452 1.454 1.456 1.458 t, с
Рис. 5. Перенапряжения и ток через ОПН неповрежденной фазы при неуспешном ТАПВ ВЛ-1106 с ОКЗ со стороны ПС Итатская
Наибольшие перенапряжения возникают при неуспешном ТАПВ с двумя РШ по концам линии. Характерные осциллограммы перенапряжений и тока через ограничитель перенапряжений (ОПН) неповрежденной фазы при одностороннем включении ВЛ-1106 в цикле ТАПВ при ОКЗ на стороне ПС Итатская приведены на рис. 5.
В результате выявлено, что наибольшие кратности перенапряжений возникают на здоровых фазах при включении линии на ОКЗ (неуспешное ТАПВ):
Kn max=UmaxlU4>. max=1,91 —2, 04.
Для электрооборудования Uном=500 кВ, защищенного ОПН, максимальные коммутационные перенапряжения 832 кВ^х не превышают нормированного испытательного напряжения 1055 кВ (испытательное напряжение коммутационного импульса по ГОСТ 1516.3-96 [3]), поэтому не представляют опасности для нормальной изоляции электрооборудования 500 кВ.
Очевидно, что относительно невысокие кратности перенапряжений обусловлены успешной работой нелинейных ограничителей перенапряжений. Однако следу-
ет отметить тяжелое воздействие на ОПН тока ^^2050 А в течение около 1500 мкс при включениях линии с двумя РШ (см. табл. 2).
Поскольку ОПН ЕХЫМ Р396-ОН 550 должен выдерживать коммутационный импульс 2000 мкс амплитудой 1350 А, можно сделать вывод, что коммутации ВЛ-1106 с двумя и тремя РШ по концам линии можно считать потенциально опасными для этих ОПН.
Проведенные исследования режимов ТАПВ на ВЛ-1106, выполненной в габаритах 1150 кВ, позволяют сделать следующие выводы:
- при сближении контактов воздушного выключателя в процессе включения ВЛ с перекомпенсацией фазных емкостей из-за низкой электрической прочности воздуха пробой межконтактного промежутка, как правило, происходит в момент максимальной разности потенциалов на контактах выключателя. В этом случае апериодическая составляющая в токе включения не возникает;
- при сближении контактов элегазо-вого выключателя в процессе включения ВЛ с перекомпенсацией фазных емкостей
из-за высокой прочности элегаза межконтактный промежуток может не пробиваться вплоть до момента соприкосновения контактов. Этому случаю соответствует максимальная апериодическая составляющая в токе включения;
- элегазовые выключатели при включении ВЛ с перекомпенсацией фазных емкостей в момент прохождения синусоидального напряжения источника через ноль могут создавать в токе включения значительную апериодическую составляющую;
- апериодическая составляющая в токе отключения выключателя ВЛ-1106 Ал-тай-Итатская может приводить к затягиванию по времени момента прохождения тока через нулевое значение и, следовательно, к длительности процесса гашения дуги на время около 1,5-2,0 с;
- значительная апериодическая составляющая тока при повторном отключении выключателя после ТАПВ может возникать как в аварийной фазе с ОКЗ, так и на остальных фазах;
- апериодическая составляющая тока при отключении выключателя может возникать при одностороннем включении линии в нормальном режиме и ложном срабатывании релейной защиты, подающей сигнал на отключение;
- на рассматриваемой линии Алтай-Итатская апериодическая составляющая в токе отключения выключателя после его включения возникает с количеством РШ на линии три и более и при замыкании контак-
тов в момент прохождения напряжения источника через нулевое значение;
- максимальные коммутационные перенапряжения на линии Алтай-Итатская при ликвидации аварии в цикле ТАПВ достигают 832 кВ, что не превышает нормированного испытательного напряжения 1055 кВ для электрооборудования Uном=500 кВ, защищенного ОПН, поэтому не представляют опасности для нормальной изоляции электрооборудования 500 кВ;
- токи, протекающие через ОПН при неуспешном ТАПВ с двумя группами РШ на линии Алтай-Итатская, могут превышать нормированное для ограничителя перенапряжений EXLIM Р396^Н 550 значение 1350 А при длительности 2000 мкс и являются потенциально опасными для ОПН этой модификации;
- для устранения опасности выхода из строя ОПН при неуспешном ТАПВ нужно ограничить коммутации линии Алтай-Итатская с числом групп РШ меньшим четырех, либо замену установленных ОПН на ограничители 5-го класса разряда линии с нормированным током длительностью 2000 мкс более 2050 А;
- в качестве основного средства уменьшения апериодической составляющей и снижения коммутационных перенапряжений при ТАПВ можно предложить оснащение элегазовых выключателей HPL550B2 ПС Алтай и вЬ-317 ПС Итатская предвключаемыми резисторами.
Статья поступила 12.02.2016 г.
Библиографический список
1. Базавлук А.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Об эксплуатации подстанций и электропередач высокого напряжения, оснащенные шунтирующими реакторами // Электро. 2009. № 6. С. 36-40.
2. Высоковольтные ВЛ. Коммутации и воздействия на выключатели / Г.А. Евдокунин, М.В. Дмитриев, С.Г. Гольдштейн, Ю.М. Иваницкий // Новости электротехники. 2008. № 3 (51). С. 64-69.
3. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. 54 с.
4. Епифанов А.М. Результаты расследования и анализ технологических нарушений с повреждением элегазовых выключателей на подстанциях ОАО
«ФСКЕЭС»: сб. тезисов и докладов III Всерос. совещания главных инженеров-энергетиков. М.: Всероссийский выставочный центр, 2013. С. 26-27.
5. Моделирование электропередачи Алтай-Итатская для исследования режимов трехфазного автоматического повторного включения / Н.В. Сиз-ганов, Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов, В.В. Шевченко // Вестник ИрГТУ. 2016. № 2 (109). С. 86-93.
6. Специальные расчеты режимов ВЛ 750 кВ Калининская АЭС - Грибово при одностороннем включении и в цикле ТАПВ: отчет ЭСП Л7501940-496-12-т1, 2009.
7. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SymPowerSystem и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
References
1. Bazavluk A.A., Kadomskaja K.P., Lavrov Ju.A. Ob jekspluatacii podstancij i jelektroperedach vysokogo naprjazhenija, osnashhennye shuntirujushhimi reaktorami [On operation of high voltage substations and transmission lines equipped with shunt reactors]. Jelektro - Electro, 2009, no 6, pp. 36-40.
2. Evdokunin G.A., Dmitriev M.V., Gol'dshtejn S.G., Ivanickij Ju.M. Vysokovol'tnye VL. Kommutacii i vozdejstvija na vykljuchateli [Switching and its impact on switches]. Novosti jelektrotehniki - News of Electrical Engineering, 2008, no. 3 (51), pp. 64-69.
3. GOST 1516.3-96. Jelektrooborudovanie peremen-nogo toka na naprjazhenija ot 1 do 750 kV. Trebovanija k jelektricheskoj prochnosti izoljacii [State Standard 1516.3-96. Electrical alternating current equipment for the voltage of 1 to 750 kV. Requirements for electrical insulation strength.]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standar-tov Publ., 1998, 54 p.
4. Epifanov A.M. Rezul'taty rassledovanija i analiz tehnologicheskih narushenij s povrezhdeniem jele-gazovyh vykljuchatelej na podstancijah OAO "FSKE-JeS" [The study results and analysis of technological disturbances causing SF6 circuit breakers damage at the substations of the "Federal Grid Company of the Unified Energy Systems" OJSC]. Sbornik tezisov i
dokladov III Vseros. soveshhanija glavnyh inzhenerov-jenergetikov [Collection of abstracts and reports of III All-Russian meeting of major energy engineers]. Moscow, Vserossijskij vystavochnyj centr, 2013, pp. 26-27.
5. N.V. Sizganov, E.Ju. Sizganova, R.A. Petuhov, V.V. Shevchenko Modelirovanie jelektroperedachi Altaj-Itatskaja dlja issledovanija rezhimov trehfaznogo avto-maticheskogo povtornogo vkljuchenija [Modeling Altai-Itatskaya power transmission to study the modes of three-phase automatic reclosing]. Vestnik IrGTU -Proccedings of Irkutsk State Technical University, 2016, no. 2 (109), pp. 86-93.
6. Special'nye raschety rezhimov VL 750 kV Kali-ninskaja AJeS - Gribovo pri odnostoronnem vkljuchenii i v cikle TAPV, otchet JeSP L7501940-496-12-t1, 2009. [Special calculations of 750 kV transmission line of Kalinin NPP- Gribovo modes with unilateral closing and in the three-phase autoreclosing cycle: ESP Report il7501940-496-12-T1, 2009].
7. Chernyh I.V. Modelirovanie jelektrotehnicheskih ustrojstv v MATLAB, SymPowerSystem i Simulink [Simulation of electrical devices in MATLAB, SimPow-erSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press Publ.; Sankt-Peterburg, Piter Publ., 2008, 288 p.
