Аналіз ефективності пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг на регулювальному трансформаторі статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет "Львівська політехніка"

СІВАКОВА ОЛЬГА МИХАЙЛІВНА

УДК 621.311.018.001.5

АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРИСТРОЇВ ОБМЕЖЕННЯ ВНУТРІШНІХ ПЕРЕНАПРУГ НА РЕГУЛЮВАЛЬНОМУ ТРАНСФОРМАТОРІ СТАТИЧНОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ ПРЯМОГО РЕГУЛЮВАННЯ

05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Никонець Леонід Олексійович,

завідувач кафедри “Електричні станції” Національного університету "Львівська політехніка".

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Варецький Юрій Омелянович,

професор кафедри “Електричні мережі та системи”

Національного університету

"Львівська політехніка";

- доктор технічних наук, професор

Кравченко Адольф Микитович,

відповідальний редактор електротехнічного журналу "Электропанорама" (м.Київ).

Провідна установа - Вінницький національний технічний університет (кафедра електричних станцій та систем)

Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться „30” січня 2004р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.114головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул.Професорська,1)

Автореферат розісланий 25 грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. Коруд В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У Національному університеті "Львівська політехніка" запропоновано новий напрям розвитку компенсувальних пристроїв. Доведено, що регулювання напруги на одних виводах статичного елемента, інші виводи якого приєднані до шин практично незмінної напруги, обумовлює можливість зменшення встановленої потужності пристрою регулювання в декілька разів у порівнянні з існуючими технічними вирішеннями. Принциповими труднощами в реалізації згаданих компенсувальних пристроїв є невідповідність між рівнями ізоляції регуляторів напруги, обумовлена їх номінальними напругами та можливими величинами і тривалістю дії внутрішніх перенапруг, що діють на регулятори в аварійних режимах. Для координації ізоляції розробниками запропоновано та впроваджено в експлуатацію принцип примусового параметричного ділення в аварійних режимах батареї конденсаторів на дві частини. Практика експлуатації показала недостатню ефективність існуючих пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг на регулювальному трансформаторі статичного компенсатора реактивної потужності. Відсутність належного вирішення цієї проблеми ускладнює експлуатацію існуючих компенсаторів в Росії та гальмує можливість впровадження нових компенсаторів в енергетику України. Тому розробка рекомендацій щодо підвищення ефективності пристроїв обмеження перенапруг є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дана робота виконувалась у відповідності до тематичних планів НДР згідно з „Комплексною державною програмою енергозбереження України”, яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України № 148 від 5 лютого 1997 року (П.4.2. Енергозбереження на об'єктах електроенергетики). Завершальний етап досліджень виконувався згідно договору між Львівським відділенням Інженерної Академії України та Карасукськими електромережами „Новосибірськенерго” (договір № 26 від 16 серпня 1999 року „Оптимизация параметров устройства защиты от внутренних перенапряжений компенсатора реактивной мощности подстанции „Урожай””) та між Національним університетом “Львівська політехніка” та ВАТ “Львівобленерго” (госпдоговір №6977 „Методи та пристрої захисту від внутрішніх перенапруг лінійних регульованих трансформаторів статичного компенсатора реактивної потужності” від 12 березня 2003р., номер державної реєстрації 0103U008222).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз ефективності роботи комплексу пристроїв обмеження величини та тривалості дії внутрішніх перенапруг на трансформатор статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання (КРП) та розробка рекомендацій щодо його вдосконалення.

Для досягнення мети вирішувалися такі задачі:

аналіз ефективності пристроїв обмеження амплітуди перенапруг;

аналіз досвіду експлуатації існуючого комплексу пристроїв обмеження перенапруг;

розробка методики вибору основних параметрів пристрою обмеження амплітуди перенапруг - швидкодійного високовольтного короткозамикача (ШДВК);

розробка рекомендацій щодо вдосконалення комплексу пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг.

Об'єкт досліджень - електромагнітні процеси в елементах статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання.

Предмет дослідження - ефективність існуючих пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг, що діють на ізоляцію регулювальної обмотки вольтододатного трансформатора та розроблення рекомендацій щодо їх вдосконалення.

Методи дослідження - для визначення кількісних характеристик параметрів аварійних режимів використані: аналітичний метод - для початкового моменту, математичне моделювання за допомогою цифрового комплексу для дослідження електроенергетичних систем, розробленого у НУ “Львівська політехніка” (автори комлексу О.Равлик, Т.Гречин) - для дослідження зміни параметрів у часі. Для визначення кількісних характеристик ШДВК використовувався натурний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше встановлено залежність ефективності роботи комплексу пристроїв обмеження перенапруг від головної параметричної характеристики компенсатора (яка визначається як співвідношення між номінальною напругою мережі та найбільшою з номінальних напруг регулювальної обмотки цього трансформатора), що дозволило запропонувати принципи керування та критерій вибору відповідного методу керування потенціалом бічного електрода ШДВК для підвищення надійності захисту.

Обгрунтовано значення параметрів регулювальної характеристики ШДВК для схем КРП з довільною величиною головної параметричної характеристики, що підвищує рівень координації між параметрами ШДВК та рівнем ізоляції регулювального трансформатора .

Показано, що підвищення надійності роботи комплексу пристроїв примусового обмеження внутрішніх перенапруг у схемі КРП можливо досягнути шляхом координації їх енергетичних характеристик в аварійних режимах. На основі цього підходу сформульовано вимоги до схеми для забезпечення незалежного розряду секцій конденсаторної батареї КРП в аварійних режимах .

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновано зміни схеми та параметрів пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг для вже впроваджених в експлуатацію КРП, які забезпечили надійний захист регулювального трансформатора.

Запропоновано методику вибору параметрів комплексу пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг під час проектування та пусконалагоджувальних робіт.

Особистий внесок здобувача. В публікаціях, написаних у співавторстві, автором виконано: в [1] - обгрунтування меж співвідношення та величини коефіцієнта трансформації k вольтододатного трансформатора (ВДТ) статичного компенсатора прямого регулювання, в яких використання існуючих пристроїв обмеження перенапруг знижує кратність перенапруг; у [2] - з'ясування особливостей роботи пристроїв обмеження перенапруг статичного компенсатора прямого регулювання для видачі реактивної потужності на шини низької напруги підстанції, пропозиції щодо обмеження діапазону зміни коефіцієнта трансформації ВДТ під час роботи компенсатора в режимах видачі мінімальної потужності та зменшення потенціалу бічного електроду триелектродного розрядника з метою обмеження амплітуди перенапруг, аналіз ефективності впровадження вищезгаданих пропозицій; у [3] - обгрунтування обмежень коефіцієнта трансформації ВДТ в мінімальних режимах видачі реактивної потужності без зменшення діапазону регулювання компенсатора реактивної потужності з метою зниження амплітуди перенапруг; у [4] - обгрунтування недостатності використання ШДВК в якості єдиного пристрою для обмеження перенапруг; у [5] - участь у постановці задач дослідження, розрахунки параметрів режиму, обґрунтування принципової неможливості захисту регулювальної обмотки ВДТ за допомогою вентильних розрядників увімкнених між його крайніми виводами без використання додаткових технічних засобів; у [6] - обгрунтування методики керування величиною потенціалу на бічному електроді швидкодійного короткозамикача в залежності від коефіцієнта трансформації вольтододатного трансформатора; у [7] - участь у проведенні натурного експерименту, обробка даних експерименту, розробка методики вибору параметрів ШДВК; у [8] - формування моделі компенсатора прямого регулювання з пристроями захисту, проведення на моделі досліджень, рекомендації щодо зміни параметрів схеми захисту.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати доповідались і обговорювалися на щорічних науково-технічних конференціях викладачів НУ "Львівська політехніка" (1997 - 2002 рр.), на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (м.Львів,1999 р.) та на Науково-технічній раді АТ "Новосибірськенерго" (м.Новосибірськ, 2000 р).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи було опубліковано 8 друкованих праць, в тому числі статті у наукових журналах, збірниках наукових праць та тези конференції.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел у кількості 89 найменувань і додатків. Основний текст роботи займає 111 сторінок та містить 74 рисунки, 12 таблиць. Загальний обсяг роботи - 155 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну та практичну цінність роботи; показано зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт кафедри; сформульовано мету роботи та задачі, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети.

У першому розділі за літературними даними показана доцільність застосування компенсаторів прямого регулювання в мережах 35-220 кВ.

Нерегульовані конденсаторні батареї через дискретність шкали потужностей конденсаторів можуть виготовлятися на дискретну шкалу потужностей з коефіцієнтом використання встановленої потужності меншим від одиниці (0,8). Їм властиві від'ємний регулювальний ефект за напругою, важкі умови роботи комутаційної апаратури, висока пошкоджуваність конденсаторів батареї.

Регулювання реактивної потужності принципово можливе або за рахунок зміни опору статичного елементу, або за рахунок зміни напруги на ньому. В загальному випадку компенсатор реактивної потужності приєднується до шин мережі з практично незмінним рівнем напруги. В силу уявного протиріччя між необхідністю регулювання напруги на статичному елементі та необхідністю підтримування на незмінному рівні напруги на шинах мережі, до яких підключається КРП, така можливість не розглядалася. Вперше КРП з регулюванням за рахунок зміни напруги на реактивному елементі розроблені в Національному університеті "Львівська політехніка". Ці розробки реалізовані в Північних електричних мережах ВАТ "Оренбургенерго" та Карасукських електричних мережах ВАТ "Новосибірськенерго".

Принципова схема, що відображає можливість регулювання напруги на статичному елементі за незмінною напругою на шинах мережі, наведена на рис.1. В загальному випадку джерело з напругою , що додатково вводиться в контур, змінюється як за величиною (), так і за фазою (на 180 ел.градусів). Джерело з напругою еквівалентує конкретний регулювальний елемент схеми. Оскільки регулятор напруги не виробляє та не споживає потужності (втратами нехтуємо), то КРП повинен мати не менше двох віток, за допомогою яких він підключається до мережі. Для схеми рис.1 діапазон регулювання визначається як . У цьому випадку максимальна потужність, щовидається в мережу через регулятор, . Якщо віднести максимальну потужність регулятора до діапазону регулювання, то , де .

Потужність регулятора, віднесена до максимальної потужності, що генерується статичним реактивним елементом, дорівнює . Для компенсаторів, які працюють за принципом регулювання, що розглядається, номінальна потужність регулятора завжди менша діапазону регулювання. При виконанні реактивного елементу з двох частин з опорами та , кожна з яких розрахована відповідно на напруги та , з'являється можливість, по-перше, форсування потужності в післяаварійних режимах, та, по-друге, додаткового зменшення встановленої потужності регулятора за рахунокпоєднання дискретного та плавного регулювання напруги. Для цього схема КРП повинна бути доповнена двома комутаційними апаратами, як це зображено на рис.2. Якщо та , встановлена потужність регулятора, віднесена до максимальної потужності, що виробляється реактивним елементом, .

Запропонований у Національному університеті "Львівська політехніка" принцип дозволяє отримати плавне регулювання від нуля до розрахункової потужності статичного реактивного елементу, при потужності регулятора, яка не перевищує 1/4 потужності цього елементу.

Компенсувальні пристрої прямого регулювання за техніко-економічними показниками відповідають вимогам експлуатації мереж 35-220 кВ.

Досвідом експлуатації підтверджена наукова спроможність принципу створення статичних компенсаторів на основі регулювання напруги на статичному елементі, одні виводи якого підключені до шин практично незмінної напруги. Регулювання напруги на батареї статичних конденсаторів (БСК) незалежно від рівня напруги на шинах 110 кВ підстанції забезпечило припинення виходу конденсаторів з ладу, а регулювання потужності, що видається БСК, скоротило необхідну кількість перемикань РПН автотрансформаторів підстанції та, тим самим, підвищило надійність їх роботи.

У другому розділі проведено аналіз ефективності обмеження амплітуди перенапруг на регулювальній обмотці ВДТ у момент короткого замикання за допомогою ШДВК, що являє собою систему з трьох кульових електродів з іскровими проміжками (ІП) між ними, систему керування потенціалом на бічному електроді Т, систему комутаційних апаратів ШВ1, ШВ2 та резистор R (рис.3).

Головною проблемою, яку треба вирішити, є невідповідність рівнів ізоляції регулювальної обмотки ВДТ, що міняються в залежності від положення РПН, діям на неї під час коротких замикань в мережі, до якої приєднана регульована батарея статичних конденсаторів (РБСК). Необхідна розробка заходів, які забезпечують суттєве зниження як амплітуди, так і тривалості перенапруг на регулювальній обмотці ВДТ, та узагальнення висновків на випадок різних співвідношень U1* для різних варіантів створення РБСК.

Під час проектування пристроїв захисту РБСК на підстанціях “Михайлівська” та “Урожай” не було враховано можливості запізнення моменту спрацювання вентильних розрядників після появи небезпечної хвилі перенапруг, яке обумовлено наявністю хвильових процесів в трансформаторі. Поява небезпечних перенапруг на первинній обмотці та запізнення спрацювання вентильних розрядників спричинило виткове замикання ВДТ РБСК ПС “Михайлівська”. Завданням досліджень на даному етапі було визначення можливих часів запізнення спрацювання розрядника та оцінка амплітуди хвилі, що впливає, на ізоляцію регулювальної обмотки на момент спрацювання розрядника.

Рівень ізоляції всієї регулювальної обмотки ВДТ як мінімум достатній для витримування наступних розрахункових дій на нейтралі обмотки ВН трансформаторів класу 110 кВ: амплітуда внутрішніх перенапруг кВмакс; амплітуда грозових перенапруг 130 кВмакс. На ці мінімальні величини слід орієнтуватися під час аналізу ефективності пристроів обмеження перенапруг.

Допустима для поздовжньої ізоляції величина напруги при i-ому положенні РПН:

.

У загальному випадку до ВДТ може бути адаптована відома картина розподілу напруги для автотрансформаторів з коефіцієнтом трансформації, яка наведена на рис.4.

Напруга на вентильному розряднику, що шунтує регулювальну обмотку ВДТ, в часі буде збільшуватись за законом: , при , де - напруга, що діє на регулювальну обмотку ВДТ для i-ого положення РПН. Якщо прирівняти до його пробивного значення , то можна знайти зв'язок між часом запізнення спрацювання розрядника tз та амплітудою хвилі :

.

Для безпечної роботи ВДТ необхідно відповідними технічними вирішеннями забезпечити виключення дії на поздовжню ізоляцію перенапруг, що перевищують допустимі значення, а саме, треба сформувати діючий імпульс у вигляді коливальної загасаючої хвилі (замість прямокутної хвилі) обмеженої амплітуди та передбачити елементи, в яких розсіюється енергія, яка накопичена в конденсаторах батареї, що призведе до швидкого загасання коливного процесу.

Через змiни коефiцiєнта трансформацiї ВДТ в процесi експлуатацiї хвилi перенапруг, якi мало вiдрiзняються за абсолютною величиною, можуть бути прикладенi як до всієї регулювальної обмотки ВДТ, так i до дуже невеликої її частини. Таким чином, iдеальним вирiшенням можна вважати таку конструкцiю ШДВК, яка дозволяє регулювати пробивну напругу зi швидкiстю перехiдного аварiйного процесу в РБСК. При цьому необхідно розрiзняти нормальний експлуатацiйний режим (для якого пробивна напруга промiжку повинна бути максимальною) та аварiйний режим (для якого пробивну напругу промiжку необхідно забезпечити на мінімальному рiвнi). Параметром, за допомогою якого керують величиною пробивної напруги iскрового промiжку, є величина напруги U1 на шинах, до яких пiдключена конденсаторна батарея.Схема регулювання напруги БСК з існуючим пристроєм обмеження перенапруг наведена на рис 3

В нормальному режимi величина U1 практично незмiнна, проте в аварiйних - змінюється. Так, наприклад, під час короткого замикання в мережi U1 зменшується (гранично до нуля при короткому замиканнi на шинах), а при дії на пiдстанцiю хвиль атмосферних перенапруг (під час грози) - збiльшується. Проведені дослідження показали, що величина напруги на проміжках ШДВК (у відносних до їх пробивної напруги одиницях) суттєво залежить від співвідношення номінальної напруги шин, до яких підключена БСК, та максимальної номінальної напруги ВДТ (рис.5). Для існують режими, при яких ШДВК принципово спрацювати не може. Незважаючи на суттєве обмеження перенапруг на обмотках ВДТ за допомогою ШДВК, абсолютна їх величина надто велика, особливо у випадках, коли перенапруги діють на невелику частину витківрегулювальної обмотки з напругою (8-13 положення РПН ВДТ).Тому у впроваджених РБСК використовувались такі додаткові заходи: послідовно з БСК встановлювалися високочастотні загороджувачі з індуктивністю L1, L2 та паралельно до обмоток ВДТ - захисні конденсатори з ємностями С3, С4 (рис.3).

Кратність перенапруг kп на ВДТ після спрацювання ШДВК дорівнює

, (1)

де , - індуктивність ВДТ та схеми, що його живить.

Максимальна кратнiсть має мiсце у випадку дії перенапруг на мінімальну кількість витків регулювальної обмотки ВДТ, якому відповідає коефіцієнт трансформації =. За допустимим значенням кратностi перенапруг kп доп , з рiвняння (1) можна знайти необхiдне значення iндуктивностi загороджувача L2:

.

Впроваджені схеми РБСК, передбачали видачу реактивної потужностi на шини 110 кВ пiдстанцiй. Практика показала, що в рядi конкретних проектiв є доцiльною видача реактивної потужностi виключно на шини низької напруги пiдстанцiй (рис.6).

Головними особливостями схеми рис.6 є наявнiсть фазового зсуву мiж векторами напруги та на 30 або 210 ел. градусiв (в залежностi вiд положення РПН ВДТ), а також спiввiдношення модулів / близького до одиницi. На рис.7 показана залежнiсть UІП* =f(U1* ). Зона, в межах якої можливе спрацювання триелектродного розрядника, заштрихована. При U1* < спрацювання розрядника залежить від положення РПН ВДТ. Значення коефiцiєнта трансформації k, при якому можливе обмеження перенапруг

.

Для розширення діапазону регулювання, в якому можлива робота пристрою та зменшення кратностi перенапруг на регулювальнiй обмотцi ВДТ при заданому U1* пропонується накласти обмеження на величину допустимого коефiцiєнта трансформацiї ВДТ при роботi пристрою в режимах видачi мiнiмальної потужностi (ввести kгран>-1), окрiм того слiд зменшити потенцiал електрода ШДВК, тобто прийняти коефіцієнт трансформації трансформатора Т . Необхiдно також в режимах видачi максимальної потужностi знiмати напругу з бічного електрода ШДВК.

У випадку обмеження величиною можливий діапазон регулювання РБСК не змінюється. Коефіцієнт необхідного зменшення m потенціалу бічного електроду ШДВК дорівнює

.

Запропоновані вище обмеження не завжди достатні, тому розглянуті можливостi обмеження перенапруг при деякому зменшеннi дiапазона регулювання реактивної потужностi за рахунок введення допустимих меж на величину коефіціента трансформації ВДТ.

Коефіцієнт зменшення потенціалу середнього електрода ШДВК, при якому у всіх режимах забезпечується спрацювання розрядника, і, тим самим, обмеження амплітуди перенапруг, дорівнює

.

Обмеження перенапруг забезпечується за рахунок несуттєвого скорочення дiапазону регулювання, не більше 10% від максимально генерованої потужності. Таким чином, забезпечення спрацювання ШДВК в усьому дiапазонi регулювання не викликає принципових ускладнень. Зниження пробивної напруги розрядника за умовами забезпечення його спрацювання не повинно заважати реалiзацiї режимiв видачи максимального значення реактивної потужностi. Нами запропонована методика керування величиною потенціалу на бічному електроді ШДВК в залежності від положення РПН ВДТ. Зони роботи ВДТ (за умови забезпечення спрацювання ШДВК під час КЗ на шинах підстанції) згідно з запропонованою методикою представлені на рис.8.

У третьому розділі запропонована методика вибору основних параметрів ШДВК з пробивною напругою, що керується параметрами режиму, та досліджені його характеристики. Сформульовано вимоги до конструкції ШДВК, запропоновано (з метою підвищення його надійності) розташування електродів ШДВК в горизонтальній площині, та, з метою зменшення струмів витоку, розміщення трансформаторів напруги в корпусі ШДВК.

Пробивну напругу між електродами пропонується під час калібрування ШДВК визначати за формулою:

,

де В - атмосферний тиск в момент калібрування; Bмін - мінімальний тиск для конкретної місцевості; Т - температура в момент калібрування; Тмакс - максимальна температура для конкретної місцевості.

Коефіцієнт надійності роботи ШДВК, визначається як співвідношення напруг на ШДВК під час аварії до найбільшої напруги, за якої ШДВК спрацює з вірогідністю 1:

.

Об'єктами дослідження характеристик спрацювання методом прямого натурного експерименту були три комплекти ШДВК, що встановлені на підстанції "Михайлівська". Пробій проміжку між крайніми електродами завжди відбувається каскадно через бічний електрод. Пробивна напруга між крайніми електродами (високовольтним та заземленим) виявляється завжди вищою пробивної напруги між будь-якою іншою парою електродів (, ). Для міжелектродних відстаней, що мають практичне значення при однакових величинах та , співвідношення . З урахуванням цієї обставини регулювальна характеристика ШДВК, що відповідає 50% ймовірності пробою, має вигляд, наведений на рис.9. За базисну величину прийняте значення пробивної напруги або . При значеннях напруг, що знаходяться всередині багатокутника (рис.9) спрацювання ШДВК не будуть мати місце.

У четвертому розділі проаналізовано ефективність пристроїв обмеження тривалості перенапруг на регулювальній обмотці ВДТ. Проведені до цього часу дослідження з аналізу ефективності пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг недостатні, тому що відносяться тільки до конкретних значень опору резистора R=10 Ом, ємності захисного конденсатора С=0,27 мкФ та співвідношення . Хоча наведені в літературі конкретні результати досить переконливі, оскільки отримані в результаті промислових випробовувань, вибір вказаних параметрів був проведений без належного обгрунтування на основі конструкторських та попередніх інженерних міркувань. Окрім цього, досвід експлуатації діючих компенсаторів показав необхідність підвищення надійності роботи захисних пристроїв.

Проаналізовано впливи величини опору резистора в колі ШДВК, ємностей захисних конденсаторів, а також характеристик вентильних розрядників, що шунтують регулювальну обмотку ВДТ, в залежності від положення РПН ВДТ. Для частини досліджень, результати яких наводяться в цьому розділі, вибрано, як основний метод, математичне моделювання. Була використана програма “Цифровий комплекс для дослідження електротехнічних систем”, що розроблена А.Равликом та Т.Гречиним. Різноманітність факторів впливу обумовила стратегію поетапної зміни одного з факторів за незмінності інших. Дослідження проводилися з поступовим ускладненням розрахункових схем.

На першому етапі оцінювалися перенапруги на обмотках ВДТ за відсутності всіх захисних пристроїв.

На другому етапі досліджень увага приділялася з'ясуванню ефективності роботи ШДВК, в тому числі величині та швидкості наростання напруги на поздовжній ізоляції ВДТ, впливу величини опору резистора R в колі ШДВК на величину та швидкість загасання перенапруг на обмотках ВДТ, а також параметрів впливу на сам резистор.

Завданням третього етапу досліджень був пошук оптимальних параметрів резистора R, при яких енергія, що виділяється в вентильних розрядниках 2РВРД-10 була би мінімальною за умови допустимих для ізоляції ВДТ впливів (рис.10).

На всіх етапах як розрахунковий випадок прийнятий режим трифазного короткого замикання на шинах 110 кВ підстанції.

На заступній схемі рис.10 розрядники представлені у вигляді нелінійного резистора R1, з ключем керування К, який вмикається, якщо напруга на розряднику перевищує пробивну, а вимикається, коли струм через ключ К, проходить через нуль.

Якщо розглянути схему підключення обмоток ВДТ та, вважаючи, що вентильні розрядники 2РВРД-10 є навантаженням всієї його регулювальної обмотки, ВДТ можна представити як автотрансформатор, а його розрахункову схему, приведену до базисної напруги, - як трипроменеву зірку. Враховуючи, що опір розсіювання ВДТ набагато менший опору встановлених розрядників, його впливом на електромагнітні процеси можна знехтувати. Тому було вирішено в заступній схемі рис.10 підімкнути розрядники до точки приєднання регулювальної обмотки ВДТ через ідеальний трансформатор Тi з коефіцієнтом трансформації , що залежить від положення РПН ВДТ.

Використання наведених розрахункових схем ВДТ виправдано, якщо впливи на регулювальну обмотку ВДТ до спрацювання вентильних розрядників не перевищують допустимих. Під час аналізу ефективності існуючого комплексу захисних пристроїв принциповим вважалося визначення моментів спрацювання ШДВК та вентильних розрядників, а також черговості їх спрацювання. Момент спрацювання ШДВК визначався для схеми з встановленними конденсаторами (рис.10) за умови досягнення на ньому напруги рівної . Якщо напруга на вентильному розряднику досягала пробивної раніше моменту досягнення на ШДВК напруги спрацювання, то спочатку вмикався відповідним ключем вентильний розрядник, а потім уточнювався можливий час спрацювання ШДВК.

Проведені дослідження показали, що експлуатація компенсатора без пристроїв обмеження перенапруг неможлива. Застосування як обмежувача перенапруг лише ШДВК в поєднанні з резистором R у його колі недостатньо для надійної роботи ВДТ. Встановлення захисних конденсаторів C3 та C4 виправдано за умови обмеження перенапруг зрізаної хвилі, що діє на поздовжню ізоляцію регулювальної обмотки ВДТ під час КЗ. Віддалені від шин 110 кВ підстанції короткі замикання погіршують умови спрацювання ШДВК та, тим самим, збільшують величину перенапруг на ВДТ. Існує зона значень xкз, при яких на регулювальну обмотку ВДТ діють небезпечні перенапруги, для усунення яких необхідне суттєве збільшення індуктивності L2.

На першому етапі промислових випробувань РБСК підстанції "Михайлівська" був передбачений захист регулювальної обмотки ВДТ за допомогою двох послідовно включених розрядників 2РВРД-10. Спрацювання вентильних розрядників при 1 - 17 положенні РПН ВДТ робить спрацювання ШДВК неможливим, а перенапруги при 9 - 10 положеннях РПН перевищують допустимі значення для ізоляції ВДТ. Енергія, що виділяється в розрядниках, досягає 43900Дж для 17 положення РПН ВДТ. Результати промислових досліджень роботи розрядників показали, що через велике число спрацювань розрядників мали місце їх пошкодження, тому для підвищення надійності роботи вентильних розрядників було прийнято послідовне включення трьох розрядників. Підвищення пробивної напруги розрядників у півтора рази зменшило діапазон положень, при яких ускладнюються умови спрацювання ШДВК (5 - 15 положення РПН), але збільшило діапазон положень РПН (8-13), при яких перенапруги перевищують допустимі значення для ізоляції. Максимальна енергія, що виділяється в розрядниках також зменшилася у 1,7 рази. Досвід експлуатації розрядників 3РВРД-10 показує, що кількість спрацювань розрядників суттєво зменшилася, а надійність їх роботи підвищилася. Недостатність розроблених захистів від перенапруг підтвердилася також виходом з ладу ВДТ підстанції "Михайлівська" внаслідок виткового замикання регулювальної обмотки.

Особливостями РБСК-110 кВ підстанції "Урожай" є менша величина максимальної робочої напруги ВДТ (24,2 кВ замість 40,5 кВ), менша величина опору БСК-2 (xс2 =70 Ом замість xс2 =110 Ом), наявність двох послідовних розрядників 2РВРД-10 замість 3РВРД-10, а також інші параметри захисних елементів. Існуючі системи захисту забезпечують обмеження перенапруг допустимими значеннями, проте в розрядниках 2РВРД-10 в аварійних режимах виділяється завелика енергія.

Головна мета рекомендацій щодо вдосконалення пристроїв захисту ВДТ від перенапруг - забезпечення безумовного спрацювання ШДВК, зменшення перенапруг на ВДТ до рівня допустимих та зменшення енергії, що виділяється в вентильних розрядниках. Забезпечення спрацювання ШДВК пропонується досягти за рахунок підключення трансформатора напруги НКФ-110 (ІТН), що живить бічний електрод ШДВК з шин 110 кВ підстанції до точки з'єднання високочастотних загороджувачів L1 з БСК 110 кВ (рис. 11). Якщо загороджувач L1 змонтований у діючий установці після БСК-110 кВ, то його необхідно перемонтувати згідно зі схемою рис.11. Ефект досягається за рахунок наявності залишкової напруги на бічному електроді, що зменшує величину пробивної напруги ШДВК. Запропоноване рішення привело до можливості спрацювання ШДВК підстанції "Михайлівська" на всіх положеннях РПН за винятком 10 положення, та зменшило величини перенапруг до допустимих на 8 положенні РПН. Крім того вдалося зменшити величину енергії, що виділяється в розрядниках. Слід зауважити, що наявність бетелового резистора в колі ШДВК призводить до перерозподілу енергії, накопиченої в БСК-110 кВ в коло БСК-35 кВ - ВДТ, а, тим самим, до збільшення енергії, що розсіюється в вентильних розрядниках, тому його запропоновано демонтувати зі схеми захисту. Ця рекомендація разом із збільшенням L2 у два рази (тільки для підстанції "Михайлівська") забезпечує обмеження перенапруг до допустимих значень на всіх положеннях РПН та додатково зменшує максимальну енергію в розрядниках при КЗ на шинах 110 кВ у 4,3 рази для підстанції "Михайлівська" та 2,7 рази для підстанції "Урожай".

ВИСНОВКИ

1.Компенсувальні пристрої прямого регулювання за техніко-економічними показниками відповідають вимогам експлуатації мереж 35-220кВ. Показано, що ефективність відомого комплексу пристроїв обмеження перенапруг на регулювальному трансформаторі статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання залежить від головної параметричної характеристики конкретного компенсатора , яка визначається як співвідношення номінальної напруги мережі , до якої під'єднана конденсаторна батарея, та максимальної номінальної напруги регулювальної обмотки ВДТ .

2. Обґрунтовано принцип параметричного ділення в аварійних режимах батареї конденсаторів на дві частини (БСК-1 та БСК-2) з використанням існуючого комплексу пристроїв примусового обмеження перенапруг на регулювальному (вольтододатному) трансформаторі (ВДТ) статичного компенсатора реактивної потужності. Показано, що :

- для співвідношення реалізація принципу можлива за умови параметричного керування потенціалом бічного електрода ШДВК залежно від потенціалу безпосередньо на виводах БСК, що приєднуються через загороджувачі до шин підстанції;

- для співвідношення - за умови дискретного керування потенціалом бічного електроду ШДВК залежно від коефіцієнта трансформації ВДТ.

3. Обґрунтовано значення параметрів регулювальної характеристики ШДВК для схем КПР з довільною величиною головної параметричної характеристики з метою забезпечення надійного захисту регулювального трансформатора. Коригування параметрів ШДВК у процесі пуско-налагоджувальних робіт на КРП підстанції "Урожай" дозволило підвищити надійність його роботи.

4. Наявність хвильових процесів в обмотках ВДТ призводить до запізнення роботи вентильних розрядників, тому для обмеження амплітуди перенапруг до допустимих значень необхідні додаткові спеціальні заходи. Різноманітність впливаючих факторів обумовила стратегію поетапного дослідження впливу кожного фактора при решті прийнятих постійними. Кількісна оцінка хвильових процесів в обмотках ВДТ призвела до обгрунтованих в роботі обмежень щодо області застосування розрахункових схем. З'ясовано фактори, що обумовлюють можливий склад елементів пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг.

Для забезпечення безумовного спрацювання ШДВК, зменшення енергії, що виділяється в вентильних розрядниках, зменшення перенапруг запропоновано переприєднати трансформатор напруги НКФ-110, що живить бічний електрод ШДВК, з шин підстанції в точку з'єднання індуктивності L1 та БСК-110. Обгрунтовано доцільність демонтажу резистора 10 Ом в колі ШДВК.

Результати досліджень дозволяють сформулювати технічні вимоги до захистів від перенапруг та рівнів ізоляції регулювальних трансформаторів, що мають виготовлятися для пристроїв КРП.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Никонець Л.О., Сівакова О.М. Оцінка ефективності обмеження внутрішніх перенапруг на регульованій шунтовій конденсаторній батареї // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи". - 1999. - №372. - С.128-136.

Никонець Л.О., Сівакова О.М., Сіваков Д.М. Особливості обмеження перенапруг пристроїв регулювання шунтової конденсаторної батареї при видачі реактивної потужності на шини низької напруги підстанцій // Вісник Інженерної академії України. - 1999. - №1. - С.10-14.

Никонець Л.О., Сівакова О.М. Спосіб керування пристроєм для обмеження перенапруг регульованої шунтової конденсаторної батареї // Вісник Інженерної академії України. - 1999. - №2-3. - С.11--14.

Никонець Л.О., Сівакова О.М., Сіваков Д.М. Оцінка ефективності пристрою для обмеження перенапруг на регулювальній обвитці вольтододатного трансформатора шунтової конденсаторної батареї // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2001. -№1. -- С.25-28.

Никонець Л.О., Сівакова О.М., Сіваков Д.М. Оцінка допустимих перенапруг, що діють на ізоляцію вольтододатного трансформатора статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання // Вісник Національного університету "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи". - 2001. - №435. - С.101-112.

Никонець Л.О., Сівакова О.М. Методика керування пристроєм обмеження перенапруг регульованої шунтової конденсаторної батареї // Вісник Інженерної академії України. - 2000. - №1. - С.15-20.

Никонець Л.О., Клімук П.П., Сівакова О.М. Швидкодіючий дуговий високовольтний короткозамикач та методика вибору його основних параметрів //Вісник Інженерної академії України. - 2001. - №1. - С. 28-31.

Никонець Л.О., Сівакова О.М. Аналіз на математичній моделі пристроїв захисту від перенапруг статичного компенсатора // Тези доповідей 3-ої Міжн. н/т конф."Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці". - Львів. - 1999. - С.195-195.

перенапруга трансформатор потужність регулювання

АНОТАЦІЯ

Сівакова О.М. Аналіз ефективності пристроїв обмеження внутрішніх перенапруг на регулювальному трансформаторі статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - електричні станції, мережі і системи, Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2003.

В дисертації виконано аналіз ефективності комплексу пристроїв обмеження величини та тривалості внутрішніх перенапруг на регулювальний трансформатор статичного компенсатора реактивної потужності прямого регулювання. Розроблені рекомендації щодо зміни схеми та параметрів пристроїв обмеження перенапруг, які зменшують розрахункові дії на вентильні розрядники вольтододатного трансформатора (ВДТ) та вирішують науково-технічну проблему, обумовлену невідповідністю рівнів ізоляції регулювальної обмотки ВДТ та величин перенапруг, що діють на неї. Проведені дослідження відкривають можливість масового використання відносно дешевих та ефективних компенсаторів реактивної потужності прямого регулювання в мережах 35-220 кВ.

Ключові слова: статичний компенсатор реактивної потужності, перенапруги, вольтододатний трансформатор, швидкодіючий дуговий високовольтний короткозамикач.

АННОТАЦИЯ

перенапруга трансформатор потужність регулювання

Сивакова О.М. Анализ эффективности устройств ограничения внутренних перенапряжений на регулировочном трансформаторе статического компенсатора реактивной мощности прямого регулирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - электрические станции, сети и системы, Национальный университет "Львовская политехника", Львов, 2003.

Диссертация состоит из вступления, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы в количестве 89 наименования и приложений .

В Национальном университете “Львовская политехника” были разработаны компенсаторы реактивной мощности прямого регулирования с регулированием за счет изменения напряжения на реактивном элементе. Регулирование напряжения на одних выводах статического элемента, другие выводы которого присоеденены к шинам практически неизменного напряжения, позволяет уменьшить установленную мощность регулировочного устройства по сравнению с существующими техническими решениями. Компенсаторы реактивной мощности, работающие по этому принципу внедрены в Северных электрических сетях ОАО “Оренбургэнерго” и Карасукских электрических сетях ОАО “Новосибирскэнерго”.

Принципиальные трудности в реализации - несоответствие уровней изоляции регулировочных устройств, обусловленных их номинальным напряжением, и возможными воздействиями внутренних перенапряжений в аварийных режимах.

В диссертационной работе проведен анализ эффективности комплекса устройств ограничения величины и длительности действия внутренних перенапряжений на регулировочный трасформатор статического компенсатора реактивной мощности прямого регулирования (в качестве регулировочного элемента разработчиками использован вольтодобавочный трансформатор). В состав комплекса устройств ограничения внутренних перенапряжений входит быстродействующий дуговой высоковольтный короткозамыкатель (БДВК), представляющий собой систему из трех шаровых электродов с искровыми промежутками между ними, систему управления потенциалом на боковом електроде, систему комутационных аппаратов и бэтэловый резистор, а также высокочастотные заградители и защитные конденсаторы.

Доказано, что для соотношения номинальних напряжений сети и регулятора перенапряжения остаются опасными для продольной изоляции регулировочной обмотки вольтодобавочного трансформатора (ВДТ). Большая длительность перенапряжений существенно сокращает срок службы вентильных разрядников.

Исследованы особенности работы устройств ограничения перенапряжений при выдаче реактивной мощности на шины низкого напряжения подстанции при условии .

Во время проектирования устройств защиты статического компенсатора реактивной мощности прямого регулирования разработчиками не была учтена возможность запаздывания момента срабатывания вентильных розрядников после появления опасной волны перенапряжения, обусловленное наличием волновых процесов в трансформаторе. Из-за изменнений коэффициента трансформации в проессе эксплуатации волны перенапряжений, мало отличающиеся по абсолютной величине, могу быть приложены как ко всей регулировочной обмотке ВДТ, так и ее небольшой части. Таким образом, идеальное решение - такая конструкция БДВК, которая позволяет регулировать пробивное напряжение со скоростью переходного аварийного процесса в компенсаторе. С целью уменьшения перенапряжений предложена методика управления потенциалом на боковом электроде быстродействующего дугового высоковольтного короткозамыкателя (БДВК). Обоснована методика выбора параметров БДВК с величиной пробивного напряжения, управляемой параметрами режима. Исследованы регулировочные характеристики БДВК.

Разработаны рекомендации по изменению схемы и параметров устройств ограничения перенапряжений, которые уменьшают расчетные воздействия на вентильные разрядники ВДТ и решают научно-техническую проблему, обусловленную несоответствием уровней изоляции регулировочной обмотки ВДТ и величин перенапряжений, действующих на неё. Разработанные методики использованы для повышения надежности регулируемой батареи статических конденсаторов мощностью 50 МВА в Карасукских электрических сетях "Новосибирскэнерго", а также в проектной практике. Выполненные исследования делают возможным массовое использование относительно дешевых и эффективных компенсаторов реактивной мощности прямого регулирования в сетях 35-220 кВ.

Ключевые слова: статический компенсатор реактивной мощности, перенапряжения, вольтодобавочный трансформатор, быстродействующий дуговой высоковольтный короткозамыкатель.

ABSTRACT

Sivakova O.M. The analysis of efficiency of internal overvoltages restriction devices on regulating transformer of reactive power static compensator of direct regulation. - Manuscript.

Thesis for a Science Candidate's degree of technical by speciality 05.14.02 - electrical plants, networks and systems, National University " Lvivska polytechnica ", Lviv, 2003.

In the thesis the analysis of efficiency of restriction devices complex of magnitude and of operation duration of internal overvoltages on the regulating transformer of reactive power static compensator of direct regulation is carried out. The recommendations concerning a modification of the scheme and parameters of the overvoltages restriction devices, which reduce settlement effects on the autovalve lightning arresters of the booster transformer (BT) and decide a scientific-technical problem stipulated by a discrepancy of isolation levels of a ВТ regulating winding and overvoltages magnitudes, which act on it are developed. The carried out researches open a possibility of mass use of rather cheap and effective reactive power compensators of direct regulation in networks 35-220 kV.

Key words: a static compensator of a reactive power, overvoltages, booster transformer, high-speed arc high-voltage short-circuiting switch.

Размещено на Allbest.ru