CC BY
15
УДК 621.311
ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Р.В. КУЗНЕЦОВ, Е.А. ФЕДОТОВ
Казанский государственный энергетический университет
В статье рассматривается возможность применения динамических компенсаторов искажений напряжения для поддержания требуемого уровня напряжения у потребителей при кратковременных провалах напряжения на стороне внешнего электроснабжения, т.е. в сетях 35 —110 - 220 кВ.
Ключевые слова: провалы напряжения, система электроснабжения.
В случаях кратковременных нарушений электроснабжения на стороне внешнего электроснабжения, т.е. в сетях 35-110-220 кВ происходят провалы напряжения на каждом из вводов ГПП, если только нет их электрического удаления на несколько десятков километров. В результате напряжение снижается на одной из секций 6-10 кВ подстанции, что делает бесперспективным использование АВР на секционных выключателях.
Очевидно, что динамический компенсатор искажений напряжения (ДКИН) не способен в полной мере восстановить напряжение на подключенной нагрузке, если его обмотка управления питается от общей сети. Как правило, для его успешной работы при коротком замыкании во внутренней системе электроснабжения, достаточно подключения данной обмотки через питающее устройство к другой секции (к трансформатору Т1) по отношению к линии, на которой установлен ДКИН (рис.1). В то же время при внешних коротких замыканиях, сопровождающихся провалом напряжения на обоих вводах ГПП, напряжение понизится на каждом из питающих трансформаторов Т и Т2. Однако определенная возможность влияния ДКИН на потребителя остается и в этом случае.
Рис. 1. Принципиальная схема ГПП с ДКИН
© Р.В. Кузнецов, Е.А. Федотов Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
Действительно, ЭДС, наводимая в продольной обмотке ДКИН, пропорциональна напряжению на стороне выпрямленного тока. В свою очередь, выпрямленное напряжение пропорционально напряжению питания. Из чего следует, что на сколько процентов снизится напряжение со стороны питания ДКИН, на столько процентов снизится и ЭДС (при полном открытии управляющих вентилей). Таким образом, даже в условиях пониженного напряжения питания, ДКИН обладает определенной регулировочной способностью. Следовательно, можно определить границы экономической целесообразности (и технической возможности) использования ДКИН и в случаях внешних коротких замыканий, сопровождающихся провалами напряжения во всей системе электроснабжения.
Упрощенная принципиальная схема системы электроснабжения показана на рис. 2, её схема замещения - на рис. 3.
con
Рис. 2. Принципиальная схема системы электроснабжения: ЭС - энергосистема; ОРУ - открытое распределительное устройство системообразующей подстанции (СОП); ГПП - главная понизительная подстанция предприятия с непрерывным технологическим
циклом производства; Н - нагрузка
I¡ jxBl rBl jxB{L-í) ífi(L-í)
Рис. 3. Расчетная схема замещения
На схеме замещения индексы «с, р, I» относятся к параметрам энергосистемы ЭС, линиям электропередачи, идущим к рассматриваемому промышленному предприятию, и к линии длиной Ь, на которой произошло короткое замыкание на расстоянии I от подстанции ПС. Индекс «?» относится к сопротивлениям трансформатора ГПП. Индекс «5» означает сумму сопротивлении трансформатора и питающей линии.
Рассмотрим установившийся режим провала напряжения. Как уже отмечалось выше, последний вызывается короткими замыканиями (КЗ), происходящими на линиях электрически связанной сети.
Пренебрежём активными сопротивлениями в схеме замещения рис. 3. Это ужесточает требования к допустимой длительности перерыва питания, так как увеличивает ток КЗ. Сформулируем задачу следующим образом: каково минимально
возможное расстояние до места КЗ, при котором напряжение на нагрузке Vр, подключенной к ДКИН, еще не ниже минимально допустимого уровня Vш;п .
По известному току КЗ на шинах ОРУ СОП (он заранее известен для каждой подстанции) можем определить величину сопротивления системы:
X = С 1кс '
где для упрощения промежуточных выкладок принято напряжение его фазным значением.
Находим ток КЗ в линии:
ис ис
1 хс + Х01 + Хо/
1кс
По сравнению с током КЗ можно пренебречь током нагрузки Iр, поэтому допустимо считать, что II = 1С .
Находим остаточное напряжение и0 на шинах подстанции ПС, которое несколько выше, чем напряжение на шинах 6-10 кВ ГПП. При выполнении расчетов по требуемому уровню остаточного напряжения на системообразующей подстанции для конкретных сетевых районов необходимо увеличивать минимально допустимое напряжение на величину потери напряжения в линии и трансформаторе ГПП, которые определяются рабочим током или аварийным током. В послеаварийном режиме расчет потерь напряжения обязательно должен выполняться по максимальному (аварийному) току на всю нагрузку только тогда, когда срабатывает АВР. Но этот режим характерен уже при отключении одного из питающих вводов ГПП. Если же рассматриваются интервалы времени внутри провалов напряжения, вызванных КЗ на линиях, то АВР не запускается, т.к. происходит снижение напряжения одновременно на обеих секциях ГПП. В результате ток через каждый из трансформаторов ГПП может только уменьшиться.
Таким образом, в дальнейшем выполняем расчеты остаточного напряжения на шинах СОП, имея ввиду, что его допустимое значение должно быть увеличено на потерю напряжения в линии, питающей ГПП, обусловленную протеканием рабочего тока.
В соответствии со схемой замещения, рис. 3, находим
Цо = 11х1 = иСис—Хо1. (1)
7е + Хо1 1кс
Приводя полученное выражение к относительным единицам, получаем:
Х1 * * *
V 0= 1-7 >
* 1 + XII **
где Цо = , хо = Х° * , I = —; в свою очередь, ¡о - базисная единица длины.
* Цс * Цс11кс * ¡о
Учтем, что ЭДС Е ДКИН должна изменяться при изменении напряжения на обмотке управления. Тогда, пренебрегая потерями напряжения в цепях питания
нагрузки, можем принять, что при КЗ (рис. 1) остаточное напряжение собственно на нагрузке с учетом действия ДКИН равно
ир = Щ + Е = Щ + /(Еп;ио/ишм) , (2)
где Еп - ЭДС ДКИН при номинальных условиях питания обмотки управления; /(Еп;По/ином) - функция учета влияния остаточного напряжения на ЭДС, создаваемой обмоткой управления ДКИН. ЭДС Еп кусочно-линейно зависит от уровня остаточного напряжения и о , рис.4.
иш„ % по н
100
90
80
50
60
70
Г~ 80
90
100
110 ит.%
Рис. 4. Внешняя характеристика регулирования напряжения устройством ДКИН-Я
Необходимо отметить, что пропорциональная связь между ЭДС ДКИН и величиной остаточного напряжения на шинах РУ 6-10 кВ ГПП, введенная в формулу (2), справедлива только для левого участка внешней характеристики ДКИН (рис. 4), когда полностью открыты вентили питания управляющей обмотки. Очевидно, что при относительно небольшом снижении напряжения питания за счет сужения зоны поддержания номинального напряжения (путем дополнительного открытия вентилей управления) можно обеспечить поддержание напряжения на номинальном уровне на выходе ДКИН.
На рис. 5 приведены внешние и регулировочные характеристики ДКИН при понижении напряжения питания управляющей обмотки. Правые части характеристик приведены пунктиром как гипотетические, т.к. такой режим работы ДКИН практически исключается действием системы АВР (рис.1) по его вторичной стороне: при повышенном напряжении на одной из секций и пониженном напряжении на другой секции обмотки управления всех ДКИН будут подключены действием АВР к секции с повышенным напряжением.
Можно установить зависимость регулировочных характеристик от питающего напряжения. ЭДС Емакс, рис. 5,6, соответствует максимальному режиму работы управляющей обмотки ДКИН при полностью открытых вентилях, что означает её прямо пропорциональную зависимость от напряжения сети и: Регулирование ЭДС реализуется по закону
^ и < имин •
^макс? "^вх^^вх '
ЛЕ („ тт )
Емакс = ■
Е =
ли (" - и■
и мин < и < и макс; и вх < и вх < и вх ;
(3)
и > и ма вх вх
где ли - имакс - имин АЕ - Е - Е
1де ли -ивх вх ' макс ^
Рис. 5. Характеристики ДКИН при пониженном напряжении на обмотке управления: а - внешние характеристики; б - регулировочные характеристики. 1, 2, 3 - характеристики,
соответствующие напряжению питания управляющей обмотки ином > и" > и
и ^ тти 2 > и 3
При понижении напряжения внешние характеристики (в левой части, которая нас и интересует) смещаются вниз, рис. 5,а. Графические зависимости рис. 5 отвечают условию независимого питания силовой цепи и управляющей обмотки. При КНЭ со стороны внешней системы электроснабжения, как уже отмечалось выше, будет наблюдаться провал напряжения одновременно на обеих секциях ГПП (рис. 1).
По рис. 5,б определим точку ивх^, соответствующую пониженному напряжению
питания и :
АЕ
ли У
и ■ - и
^ вх I ^ ном I
- ки .
Отсюда получаем, что
и вх I и ном
ки ли
АЕ
(4)
Коэффициент к в выражении (4) можно найти по параметрам внешней характеристики ДКИН (рис. 5,а). Действительно, максимальная ЭДС Емакс (рис. 5,б), достигается при номинальных условиях работы цепи управления, когда напряжение на
входе в ДКИН снижается до соотношение:
и м
^ в
Тогда из формулы (4) имеем следующее
и - и ми| к — ном ^вх
АЕ
ли
(5)
Очевидно, что можно использовать и другое соотношение:
кином = Емакс •
Левая часть внешней характеристики ДКИН, рис. 5, описывается следующим выражением при номинальном питании цепи управления:
и = к (и - имин) + и = и - к (имин - и )
^вых лс I вх "^вх /Т1^иом "^ном лс I вх "^вх I ' где кс - коэффициент статизма. При отсутствии или полном использовании кратковременного запаса форсировки в цепи управления он равен 1. При пониженном напряжении питания имеем
ивых = ином - кс (ивх I - ивх ) • (6)
Используя формулу (4), с учетом, что и = ивх, преобразуем выражение (6) к следующему виду:
ивых =(1 - кс )ном + кс + ^вх • (7)
Граничную длину электропередачи при внешних КНЭ определяем из условия, что напряжение на нагрузке после ДКИН равно допустимому: ивых = идоп . Входным в
формуле (6) является остаточное напряжение, определяемое по формуле (1). В результате получаем
идоп =(1 - кс )ином + кс Г ^^ + О -Х°1ё ,
1кс
откуда находим граничную длину электропередачи:
1 = Е^ х идоп -(1 - кс )ином / идоп -(1 - кс )ином (8)
^ кс (к^и + |) исХо/ 1 К (к- + 1)ис Выполним сравнительные расчеты на примере ДКИН-Я [34-35, 37]. По рис. 4
находим: и^™ = 0,7ином; и£хакс = 1,1Еном; кс = 0,65; кАи =0,3. Примем, что
АЕ
ис = 1,05ином , идоп = 0,7ином и Х0 = 0,4 Ом/км. В соответствии с формулой (8) имеем
1 = их 0,7-(1 - ^65) /1 - 0,7-I1 -0,65) (9)
2 /кс 0,65-(0,3 +1)-1,05 • 0,4/ 0,65-(0,3 +1)1,05
На рис. 6 показаны графические зависимости, построенные на основании формулы (9), при различных токах короткого замыкания на шинах СОП. Заметим, что в данной постановке задачи выводится из рассмотрения цепь питания трансформатора ГПП и сам трансформатор. Однако это не означает, что мы пренебрегаем их влиянием на уровень остаточного напряжения на шинах низшего напряжения ГПП. В предлагаемой методике расчета потери напряжения в питающей цепи «воздушная линия - трансформатор ГПП» учитываются в задаваемом уровне допустимого напряжения Едоп .
Это удобно в том отношении, что нет необходимости в учете реального электропотребления и параметров питающих сетей различных конкретных предприятий, а можно получить и пользоваться обобщенными характеристиками по граничной длине электропередачи, для чего требуется только построить их семейство
при различных уровнях допустимого остаточного напряжения. На рис. 6 показаны соответствующие зависимости при вариации допустимого уровня остаточного напряжения.
Рис. 6. Граничная длина электропередачи при установке ДКИН: 1 - идоп =0,7ином; 2 - идоп =0,725ином ; 3 - идоп =0,75ином ;4 - идоп =0,775ином ; 5 -^доп =0,8ином ; 6 - граничная длина электропередачи при отсутствии ДКИН и Ц/доп =0,7ином
Выводы
Особенностью проявления кратковременного нарушения электроснабжения со стороны внешней сети на ДКИН является провал напряжения, как по основной силовой цепи, так и по цепи управления устройством. В этом случае снижается эффективность работы ДКИН и технически целесообразно наличие третьего независимого источника питания для его цепей управления. Эффективность действия ДКИН по ограничению провалов напряжения удобно оценивать по граничной длине электропередачи. ДКИН позволяют заменять ИБП в случаях коротких замыканиях во внешней питающей сети при продолжительности времени их отключения до 0,2 секунд.
Summary
In article possibility of application of dynamic compensators of voltage distortions for maintenance of demanded level of voltage at consumers is considered at short-term failures of voltage on the party of external electrosupply, i.e. in networks 35-110-220 кУ. Key words: voltage failures, electrosupply system.
Литература
Гамазин С.П., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии. // Промышленная энергетика. 2006. №11. С. 51-56.
Поступила в редакцию 26 февраля 2013 г.
Кузнецов Роман Викторович - соискатель кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ), зам. директора по финансам ООО «Электропроект».
Федотов Евгений Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
