CC BY
93
© Ю.Н. Зацаринная, С.М. Маргулис, Е.А. Федотов УДК 621.311
ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Ю.Н. Зацаринная, С.М. Маргулис, Е.А. Федотов
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
evfedotov2008@mail.ru; zac_jul@mail.ru
Резюме: В статье рассматривается возможность применения динамических компенсаторов искажений напряжения для поддержания его требуемого уровня у потребителей при кратковременных провалах которого на стороне внешнего электроснабжения, т.е. в сетях 35-110-220 кВ.
Ключевые слова провалы напряжения, система электроснабжения, компенсатор искажения, динамические компенсаторы, надежность.
APPLICATION OF DYNAMIC COMPENSATORS OF VOLTAGE DISTURBANCES FOR INCREASING THE RELIABILITY OF THE ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM
J.N. Zatsarinnaya, Б.М. Margulis, EA. Fedotov
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: The article considers the possibility of using dynamic voltage distortion compensators to maintain the required level of voltage in consumers during short-term voltage failures on the side of external power supply, i.e. in the networks 35-110-220 kV.
Keywords: voltage dips, power supply system, distortion compensator, dynamic compensators, reliability.
Введение
В случаях кратковременных нарушений электроснабжения на стороне внешнего электроснабжения, т.е. в сетях 35-110-220 кВ происходят провалы напряжения на каждом из вводов главной понизительной подстанции, 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. Поэтому тема статьи является актуальной.
Описание объектов исследования и условий проведения экспериментов
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 [ 1]. 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 Tj) по отношению к линии, на которой установлен ДКИН, рис. 1. В то же время, при внешних коротких замыканиях, сопровождающихся провалом напряжения 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.
Действительно, ЭДС, наводимая в продольной обмотке ДКИН, пропорциональна напряжению на стороне выпрямленного тока [2]. 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 напряжении питания ДКИН обладает определенной регулировочной способностью [3]. Следовательно, можно определить границы экономической целесообразности (и технической возможности) использования ДКИН и в случаях внешних коротких замыканий, сопровождающихся провалами напряжения во всей системе электроснабжения.
Рис. 1. Принципиальная схема ГПП с ДКИН
Рассмотрим упрощенную принципиальную схему системы электроснабжения, представленную на рис. 2. Её схема замещения показана на рис. 3. Приняты следующие условные обозначения: ЭС - энергосистема; ОРУ - открытое распределительное устройство системообразующей подстанции (СОП); ГПП - главная понизительная подстанция предприятия с непрерывным технологическим циклом производства; Н - нагрузка [4].
Соответственно, 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 t относится к сопротивлениям трансформатора ГПП [5]. Индекс «5» означает сумму сопротивлении трансформатора и питающей линии.
Рис. 2. Принципиальная схема системы электроснабжения
Рис. 3. Расчетная схема замещения
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 ир ,
подключенной к ДКИН, еще не ниже минимально допустимого уровня иш;п .
По известному току КЗ 1кс на шинах ОРУ СОП (он заранее известен для каждой подстанции) можем определить величину сопротивления системы:
ис
хс = —^, 1кс
где для упрощения промежуточных выкладок принято напряжение его фазным значением.
Находим ток КЗ в линии
г = ис = ис 11 = .
Хс + Х° ^ + х01
1 к с
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 его потери напряжения в линии и трансформаторе ГПП, которые определяются рабочим или аварийным током. В послеаварийном режиме расчет потерь напряжения обязательно должен выполняться по максимальному (аварийному) току на всю нагрузку только тогда, когда
срабатывает АВР [6]. 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, будет иметься ввиду, что его допустимое значение должно быть увеличено на потерю напряжения в линии, питающей ГПП, обусловленное протеканием рабочего тока.
В соответствии со схемой замещения, (рис. 3), находим:
ио - 11х1 -
и„
и х0
с + х01
Хп1 .
(1)
1кс
Приводя полученное выражение к относительным единицам, получаем:
ип =■
х I
* *
и„ =-
ио
и
хо -
1 + х11 * *
х0 * ¡0
ил
кс
1 = 1 * ¡0
/п
где в свою очередь, 0 - базисная единица длины.
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), получаем остаточное напряжение собственно на нагрузке с учетом действия ДКИН равно Е.
ир-Щ + Б = Щ + /(Еп-Щ/иноМ) , (2)
где Еп - ЭДС ДКИН при номинальных условиях питания обмотки управления;
/ ( Еп ;и0 / ином) - функция учета влияния остаточного напряжения на ЭДС, создаваемой
обмоткой управления ДКИН; ЭДС Еп кусочно-линейно зависит от уровня остаточного напряжения и0 (рис. 4).
Рис. 4. Внешняя характеристика регулирования напряжения устройством ДКИН-Л
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 [7]. 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 напряжения 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 [8]. ЭДС емакс (рис. 5,б), соответствует максимальному режиму работы управляющей обмотки ДКИН при полностью открытых вентилях, что означает её прямо пропорциональную зависимость от напряжения сети П: Емакс=кП. Регулирование ЭДС реализуется по закону
(и - и \имин < и < и
вх ^ ном Р ^ вх — ^ вх — ^ ]
'макс. вх ;
(3)
Е
^ мин >
имин АЕ = е - е
^ вх ' ^^ -'-'макс '"мин •
где Аи = ив
гмакс вх
макс
Е
о)
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
ин"ом > и > и1 > иэ"
2
гЫ
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, буде наблюдаться провал напряжения одновременно на обеих секциях ГПП (рис. 1 ).
По рис. 5,б определим точку Пвх ,, соответствующую пониженному напряжению питания и .
..ЛЕ. (и
ли(ивх 1
Отсюда получаем, что
|и_. - и_.)- ки. ки ли
ивх 1 ином . ^ . (4)
ЛЕ
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 ивх™. Тогда из формулы (4) имеем следующее соотношение:
ТТ _7умИН др
к - и ном и ВХ ХЛЕ (5)
ином ли
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 — ТТмин\л-ТТ = и вых кс Iи вх и вх I + и ном
- и - к имин - и
ном с вх
(и - имин )_
вх вх мин
: Iи вх ивх1
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 1 - ивх ). (6) Используя формулу (4) с учетом, что и - ивх, преобразуем выражение (6) к следующему виду
ивых -(1 -кс)ином + К ^кли +1)ивх. (7)
Граничную длину электропередачи при внешних КНЭ определяем из условия, что напряжение на нагрузке после ДКИН равно допустимому: ивьк - идоп. Входным в формуле
(6) является остаточное напряжение, определяемое по формуле (1). В результате получаем:
идоп - (1 - ксКом + кс(кЛи + -x0lg
— + х0^
к с
откуда находим граничную длину электропередачи
I _ис х идоп (1 кс) и ном
8 - 1кс \ Г кли V
кс + 1)исх0
1 -
идоп-(1 - кс )ин
+1 и.
к ли ле
Выполним сравнительные расчеты на примере ДКИН-К [1]. По рис. 4 находим:
мин ^ 1ТТ хтмакс 1 1ГТ 1 п к ли
имин - 0 7и •
^ вх ' ^ ном з
имакс -11и • вх ном
К - 0,65;
ле
=0,3. Примем, что
ис - 1,05ином,
^доп 0, 7и^ном
и х0 - 0,4 Ом/км. В соответствии с формулой (8) имеем:
п 0,7-(1 - а65) '
18 1кс " 0,65*(0,3 +1)*1,05*0,4( 0,7-(1 - 0,65)
1-
(9)
0,65* (0,3 +1) * 1,05
На рис. 6 представлены 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 [9]. В предлагаемой методике расчета потери напряжения в питающей цепи «воздушная линия - трансформатор ГПП» учитываются в задаваемом уровне допустимого напряжения идоп.
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 [10]. На рис. 6 представлены соответствующие зависимости при вариации допустимого уровня остаточного напряжения.
Рис. 6. Граничная длина электропередачи при установке ДКИН:
^доп = 0,7^ном ; 2 -
и„
:0,725^ном • 3 - ^доп
^ 0,75£/„
; 4 - ^доп - 0,775^ном; 5 -
и„
-- 0,8^но ; 6 - граничная длина электропередачи при отсутствии ДКИН и и - 0,7и
1
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.
Литература
1. Гамазин С.П., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии // Промышленная энергетика, № 11, 2006.С. 51-56.
2. Методика обнаружения дефектов первичной обмотки измерительного трансформатора напряжения типа НКФ / Ндайизейе Мартин, Ильдарханов Р.Г., Усачев А.Е., Ильдарханов Г.Г. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2015. № 5-6. С. 134-143.
3. Зарипов Д.К., Балобанов Р.Н. Индикатор дефекта высоковольтной изолирующей конструкции // Электротехника. 2016. № 6. С. 16-21.
4. Салихов З.Г., Аруияиц Г.Г., Рутковский А.Я. Системы оптимального управления сложными технологическими объектами. М.: Теплоэнергетик, 2004. 496 с.
5. Реализация алгоритмов выявления замыканий на землю в распределительных сетях / Ю.Н. Зацаринная, Э.Р. Гайфутдинова, С.В. Куксов, Н.А. Староверова, // Вестник Казанского технологического университета. 2015. № 21, C. 121.
6. Дьяков А.Ф. Энергетика России и мира в 21-ом веке // Энергетик, 2000. № 11.
7. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. школа, 1978. 416 с.
8. Бугров В.Г. Электромеханические переходные процессы в системах электроснабжения. М.: Тверь: Изд-во ТГТУ 2005. 116 с.
9. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ, 1997. 424 с.
10. Томас Х. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн. Алгоритмы. Построение и анализ. СПб.: Вильяме, 2016.
Авторы публикации
Зацаринная Юлия Николаевна - канд. техн наук, доцент, кафедры «Электрические станции» (ЭС) им. В.К. Шибанова Казанского государственного энергетического университета. E-mail: zac_jul@mail.ru
Маргулис Сергей Михайлович - канд-т техн наук, заведующий кафедрой «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: msergey 1952@gmail. com
Федотов Евгений А. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Gamazin S.P., Pupin V.M., Markov Yu.V. Ensuring reliability of electricity supply and quality of electricity. Proceedings of high schools. Industrial power engineering. 2006. № 11. P. 51-56.
2. Ndayizeye Martin, Ildarkhanov R.G., Usachev A.E., Ildarkhanov G.G. Method for detecting defects of the primary winding of a voltage measuring transformer of the NKF type. Proceedings of high schools. Problems of energy, 2015. № 5-6. P. 134-143 p.
3. Zaripov DK, Balabanov RN Indicator of defect of high-voltage insulating structure / D.K. Zaripov // Electrical engineering. 2016. No. 6. P. 16-21.
4. Salikhov 3.G., Aruyajits G.G., Rutkovskiy A.Ya. Systems of Optimal Control of Complex Technological Objects M.: Teploenergetik, 2004. 496 p
5. J.N. Zatsarinnaya, E.R. Gayfutdinova, S. V Kuksov, N.A. Staroverova, Sales detection algorithm ground fault in distribution networks // Messenger of Kazan Technological University. 2015. № 21, P. 121
6. Dyakov A.F. Power engineering of Russia and the world in the 21st century. // Energetic, 2000, № 11.
7. Venikov V.A. Transient electromechanical processes in electrical systems. Moscow: Higher School, 1978. P. 385-404.
8. Bugrov VG. Electromechanical transients in power supply systems. M.: Tver: Publishing house of TSTU, 2005. pp.116
9. Gamazin S.I., Stavtsev V.A., Tsyruk S.A. Transient processes in industrial power supply systems, caused by the electric load. Moscow: Publishing house MPEI, 1997. P. 424.
10. Thomas H. Corman, Charles I. Leisserson, Ronald L. Rivest, Clifford Stein Algorithms. Construction and analysis. SPb.: Williams, 2016.
Authors of the publication
Julia N. Zatsarinnaya - cand. sci. (techn.), associateprofessor, Department of "Electric stations" Shibanova. Kazan State Power Engineering University.
Sergei M. Margulis - candidate of technical sciences, assistant professor, Department of "Electric Stations", Kazan State Power Engineering University.
Evgeniy A. Fedotov - cand. sci. (techn.), associateprofessor, Department "Electric stations", Kazan State Power Engineering University.
Дата поступления 13.03.2018.
