Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

МОДЕЛЬ РАСЧЕТОВ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

М.Д.Сенюк, А.И. Хальясмаа, С.А. Ерошенко

Екатеринбург, Россия

Введение

Электроэнергетические системы является одними из самых сложных технических систем и характеризуются высокой скоростью протекания различных физических процессов, сложностью накопления электроэнергии в промышленных масштабах и необходимостью применения автоматических устройств для ее управления. В условиях непрерывного ввода новых мощностей в Единой национальной электрической сети (ЕЭС) России происходит постоянное развитие электроэнергетического комплекса, что в свою очередь, ведет к вводу нового электросетевого и генерирующего оборудования. Ввод нового оборудования также может быть обусловлен мерами по устранению «узких мест» в энергосистеме.

Новое электросетевое строительство оказывает положительное влияние на режимы работы электроэнергетической системы.

Ввод новых мощностей и электросетевое строительство ведут к утяжелению протекания электромагнитных переходных процессов в аварийных режимах и увеличивают число источников тока в режиме (короткого замыкания) КЗ, что также способствует увеличению суммарного тока КЗ в месте повреждения. Проблема роста токов КЗ непосредственно сказывается на надёжности, режимах работы и функциональном состоянии силовых выключателей, которые наряду с силовыми трансформаторами являются одним из наиболее ответственных видов электрооборудования.

1. Состояние вопроса

По приблизительным оценкам в ЕЭС России эксплуатируется около 30 000 выключателей классов напряжения от 110 до 750 кВ, в том числе по классам напряжения: 110 кВ - 80,5%, 220 кВ - 15,2%, 330 кВ - 1,2%, 500 кВ - 3%, 750 кВ - 0,1%. Большую часть выключателей составляют масляные баковые выключатели с номинальным напряжением 110 кВ и 220 кВ (54%). Среди выключателей 110 кВ масляные баковые выключатели составляют 58%, среди выключателей 220 кВ - 45% [1]. Можно видеть, что масляные выключатели составляют значительную часть парка силовых выключателей ЕЭС России.

В настоящее время силовые масляные выключатели уже не производятся в виду небольшого коммутационно ресурса, использования в качестве дугогасительной среды трансформаторного масла, трудностей в обслуживании и эксплуатации. В силу выше перечисленных причин, на сегодняшний день остро стоит проблема замены физически и морально устаревшего масляного коммутационного оборудования. Из-за значительных финансовых затрат решение о замене силового выключателя должно быть технико-экономически обосновано.

Такая проверка осуществляется по полному току КЗ на шинах подстанции. Основная проблема существующей проверки силовых выключателей заключается в неучёте их физического состояния и технических параметров.

В настоящее время проблема оценки остаточного ресурса силовых выключателей рассматривается и анализируются в многих работах. Условно, работы по оценки остаточного ресурса силовых выключателей можно разделить на три направления:

· Оценка остаточного ресурса на основе данных измерений параметров выключателей без вывода из эксплуатации;

· Оценка остаточного ресурса с помощью мониторинга в реальном времени параметров силовых выключателей;

· Оценки остаточного ресурса на основе анализа надёжности функционирования силовых выключателей.

Стоить отметить, что в существующих работах по оценке остаточного ресурса силовых выключателей нигде не учитывается влияния токов КЗ на функциональное состояние силовых выключателей.

Как известно, отключение КЗ является самым тяжёлым режимом для силового выключателя. При отключении тока КЗ почти все элементы силового выключателя подвергаются механическому, термическому и химическому воздействию: ввода, дугогасительная камера, изолирующая среда, изоляторы и т.д. Не учёт влияния токов КЗ на функциональное состояние силовых выключателей может привести к ошибочным выводам о его функциональном состоянии. Ошибка в оценке состояния выключателя может привести не только к финансовым затратам компании-собственника оборудования, но и к ухудшению надёжности энергосистемы в целом.

В данной статье представлены результаты исследования по целесообразности использования моделей расчетов токов КЗ согласно МЭК 60909 для комплексного прогнозирования остаточного ресурса коммутационного оборудования и принятии решений о замене или ремонте силовых выключателей с учетом анализа его функционального состояния.

2. Оценка функционального состояния силовых выключателей

Авторами статьи 2 предложена модель системы поддержки принятия решений для оценки функционального состояния силовых выключателей на основе нейро-нечеткого логического вывода на базе алгоритма Такаги-Сугено. Модель оценки технического состояния выключателя базируется на принципе декомпозиции и формируется для оценки состояния двух его основных узлов: бака выключателя и его вводов, каждый из которых в свою очередь делится на составные элементы. Ниже на примере масляного выключателя У-110-2000-40 представлена реализация принципа декомпозиции для оценки состояния силового выключателя 110 кВ:

где - оценка состояния вводов; - оценка состояния бака; - оценка состояния дугогасительной камеры; - оценка состояния изоляции бака; - оценка состояния привода; - оценка состояния системы подогрева; - сработанный ресурс. Оценка состояния ввода выключателя формируется на основе оценок его элементов, согласно формуле (2):

где - состояние контактов ввода; - оценка состояния трансформаторов тока; - оценка состояния масла; - оценка состояния внешней изоляции.

Своя структура нейро-нечеткого логического вывода формируется для каждого из элементов выключателя на базе данных технического диагностирования и испытаний. Испытания и диагностика для выключателей выполняется в соответствии с [2].

3. Расчетный пример и результаты

В расчетном примере выполнен расчет токов КЗ на шинах подстанций в максимальном режиме энергосистемы (все замкнуто) в программном комплексе RastrWin для крупного района электрических сетей (РЭС) Свердловской области. Произведена оценка минимального и максимального токов КЗ для выбранных подстанций и выполнен анализ чувствительности линий, с целью их возможного дальнейшего отключения для максимального снижения тока КЗ.

A. Расчет токов короткого замыкания

Выполнен расчет распределения токов КЗ вдоль линий электропередачи с шагом 10% от длины линии. В соответствии с журналом оперативных переключений по анализируемому району электрических сетей смоделировано несколько схем электрической сети и для них рассчитаны токи КЗ, считая внешнюю энергосистему (другие РЭС) неизменной.

Для каждой схемы был рассчитан суммарный ток на шинах подстанций и токи за выключателями. Ток за выключателем представляет из себя максимальный ток, который может протекать через рассматриваемый выключатель. При КЗ наибольший ток, протекающий через выключатель, возникает при КЗ на его выводах. При проверке по току через выключатель номинальный ток отключения сравнивается не с суммарным током КЗ на шинах, а с наибольшим током, который может протекать через рассматриваемый выключатель. На Рисунке 1 представлена графическая схема проверки по току через выключатель.

Такая проверка даст возможность выявить точный перечень выключателей с недостаточной коммутационной способностью и определить объекты энергосистемы, где необходимо производить замену выключателей или ограничение тока КЗ.

Рис. 1. Проверка по току через выключатель

В результате анализа были исследованы 19 силовых выключателей 110 - 220 кВ различного типа: масляные, маломасляные и элегазовые в различных ремонтных схемах. Уменьшение тока КЗ в ремонтных схемах по сравнению с нормальной схемой составляет от 10 до 40,6%. Высокая чувствительность уровней токов КЗ в рассматриваемом РЭСе объясняется сложной топологией электрической сети: ремонты электросетевого оборудования приводят к размыканию кольцевых участков и к увеличению эквивалентного сопротивления до точки КЗ и, как следствие, к уменьшению тока КЗ. В Таблице I представлены результаты расчетов трехфазных и однофазных токов КЗ, протекающих через выключатели четырех подстанций.

В ходе проверка были выявлены силовые выключатели, которые рекомендованы к замене по критерию номинального тока отключения.

Таблица 1 Результаты расчетов однофазных и трехфазных токов кз через выключатели 110-220 кв

Также в расчетном примере была выполнена оценка функционального состояния 19 силовых выключателей 110-220 кВ для подстанций, на которых оценивались токи КЗ. В качестве инструмента моделирования применялся программный комплекс MATLAB. Исходными данными являлись данные технического диагностирования электрооборудования за последние 10 лет.

По результатам оценки технического состояния выключателей на основе авторской методики - на базе нейро-нечеткого логического вывода, описанной в [4]. были получены следующие оценки технического состояния выключателей.

Таблица 2. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 110-220 КВ

Как видно из Таблицы II, неисправному, но работоспособному состоянию (когда техническим требованиям соответствуют лишь те свойства подобъекта, которые характеризуют его способность выполнять заданные функции) соответствуют практически все выключатели, расчетные значения токов КЗ которых являются максимальными.

Выводы

На сегодняшний день в России более половины высоковольтных выключателей 110 кВ и выше являются масляными. Их низкая надежность, небольшой коммутационный ресурс, пожароопасность и высокая трудоемкость ремонта и обслуживания, вынуждают уделять повышенное внимание их техническому состоянию и прогнозированию их остаточного ресурса. коммутационный силовой выключатель логический

Эффективность дугогасительных устройств и ресурс масляных выключателей в большей степени обусловлены физико-химическими процессами в зоне гашения дуги, а именно, окисление, загрязнение контактов и накопление продуктов разложения, что приводит к увеличению переходного сопротивления и, как следствие, к повышенному нагреву контактов, их возможному выгоранию, а также к увеличению вязкости масла и длительности горения дуги. В этом случае учет значений токов КЗ для оценки и прогнозирования состояния выключателей позволит дополнительно качественно и количественно оценить протекание выше перечисленных процессов и повысить точность идентификации состояния оборудования и прогнозирования его остаточного ресурса.

В рамках представленной работы на основе данных (за последние 10 лет) тепловизионного контроля контактных соединений внутреннего и наружного токоведущего контура, оценки состояния высоковольтных вводов, оценки состояния масла в баках и вводах, и других данных контроля выключателей под рабочим напряжением и после отключения его от сети, но без слива масла, с помощью метода нейро-нечеткого логического вывода были идентифицированы технические состояния выключателей. Также в рамках представленного исследования был выполнен анализ влияния токов КЗ на функциональное состояние силовых выключателей. В результате анализа сделано заключение о целесообразности использования разработанной модели расчетов токов коротких замыканий согласно МЭК 60909 для комплексного прогнозирования состояния и остаточного ресурса коммутационного оборудования.

Список литературы

[1] M. Higginson and D. B. Durocher, “Proper application & maintenance of molded case breakers to assure safe and reliable operation,” in Electrical Safety Workshop, 2009. IEEE IAS. IEEE, 2009, pp. 1-12.

[2] Mingzhe Rong, Xiaohua Wang, Wu Yang, “Mechanical Condition Recognition of Medium-Voltage Vacuum Circuit Breaker Based on Mechanism Dynamic Features Simulation and AN”.

[3] Xin Zhang, Ronghui Huang, Senjing Yao, Gaoyang Li, Linlin Zhong, Xiaohua Wang, “Mechanical Life Prognosis of High Voltage Circuit Breakers Based on Support Vector Machine”.

[4] A.I. Khalyasmaa, S.A. Dmitriev, A.S. Semerikov, “Decision Support System for Circuit-Breaker Technical State Assessment”, Proceedings of the XIX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM 2016), 2016, pp. 120-123.

Аннотация

В настоящее время парк выключателей 110 и 220 кВ в Единой энергетической системе России более чем на 50% состоит из масляных выключателей. Из-за небольшого коммутационно ресурса, трудностей в обслуживании и эксплуатации производство выключателей такого типа прекращено. В силу выше перечисленных причин, на сегодняшний день остро стоит проблема замены физически и морально устаревшего масляного коммутационного оборудования. Из-за значительных финансовых затрат решение о замене силового выключателя должно быть технико-экономически обосновано. В настоящее время такая проверка осуществляется по полному току короткого замыкания (КЗ) а шинах подстанции. Основная проблема существующей проверки силовых выключателей заключается в не учете их физического состояния и технических параметров.

Основным инструментом для данного исследовании является математическое моделирование энергосистемы в программном комплексе RastWin. Модель оценки функционального состояния силовых выключателей строится на основе нейро-нечеткого логического вывода.

В статье была выполнена оценка функционального состояния 19 силовых выключателей 110 кВ четырёх подстанций 110/10 кВ крупного района электрических сетей (РЭС) Свердловской области, выполнены расчеты токов КЗ на шинах подстанций в различных схемно-режимных ситуациях. Также был выполнен анализ влияния токов КЗ на функциональное состояние силовых выключателей с учетом данных технической диагностики и испытаний оборудования. В результате анализа выявлены зависимости влияния токов КЗ на элементы силового выключателя.

В результате сравнения полученных оценок функционального состояния электрооборудования и протоколов технического осмотра оборудования можно сделать вывод о целесообразности использования разработанной модели расчетов токов коротких замыканий согласно МЭК 60909 для комплексной оценки технического состояния коммутационного оборудования.

Ключевые слова -- короткое замыкание, силовой выключатель, оценка технического состояния