Модели и методы управляемой коммутации в электрических сетях 6 (10) кВ систем электроснабжения
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 5
1 ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6 (10) кВ ……………………………………………………………… 11
1.1 Постановка задачи……………………………………………………………………………….. 11
1.2 Общие сведения о переходных процессах ……………………………………………. 11
1.3 Современные тенденции применения выключателей 6 (10) кВ …………….. 14
1.4 Особенности переходных процессов при коммутациях вакуумными
выключателями………………………………………………………………………………………….. 19
1.5 Особенности переходных процессов при коммутациях реактивных
элементов в электрических сетях 6 (10) кВ …………………………………………………. 23
1.6 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 27
2 УПРАВЛЯЕМАЯ КОММУТАЦИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6 (10) кВ .. 29
2.1 Постановка задачи……………………………………………………………………………….. 29
2.2 Принципы управляемой коммутации …………………………………………………… 30
2.2.1 Управляемое отключение …………………………………………………………….. 31
2.2.2 Управляемое включение ……………………………………………………………….. 33
2.2.3 Управляемое отключение токов короткого замыкания ……………….. 34
2.2.4 Особенности управляемой коммутации в трехфазных электрических
сетях ……………………………………………………………………………………………………. 36
2.3 Особенности реализации управляемой коммутации……………………………… 38
2.4 Устройства управляемой коммутации ………………………………………………….. 39
2.5 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 46
3 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 6 (10) кВ ДЛЯ
ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ………………… 48
3.1 Постановка задачи……………………………………………………………………………….. 48
3.2 Имитационная модель синхронного вакуумного выключателя …………….. 48
3.2.1 Характеристики вакуумных выключателей …………………………………. 48
3.2.2 Структура модели выключателя…………………………………………………. 53
3.2.3 Модель синхронного вакуумного выключателя …………………………….. 55
3.3 Имитационные модели элементов электрической сети 6 (10) кВ…………… 59
3.3.1 Модель трехфазного источника электропитания ……………………….. 59
3.3.2 Модель кабельной линии электропередачи …………………………………… 61
3.3.3 Модель силового трансформатора ……………………………………………… 63
3.3.4 Модель асинхронного двигателя ………………………………………………….. 70
3.3.5 Модель конденсаторной батареи ………………………………………………… 76
3.4 Апробация и верификация предложенных моделей ……………………………… 78
3.5 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 86
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НЕУПРАВЛЯЕМОЙ И
УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6 (10) кВ ……………………………………………………………… 87
4.1 Постановка задачи……………………………………………………………………………….. 87
4.2 Моделирование переходных процессов при коммутации трансформаторов
и разработка оптимальных алгоритмов коммутации …………………………………… 88
4.2.1 Отключение трансформаторов ………………………………………………….. 88
4.2.2 Включение трансформаторов……………………………………………………… 96
4.3 Моделирование переходных процессов при коммутации
электродвигателей и разработка оптимальных алгоритмов коммутации ……. 101
4.3.1 Отключение электродвигателей ……………………………………………….. 101
4.3.2 Включение электродвигателей …………………………………………………… 108
4.4 Моделирование переходных процессов при коммутации конденсаторных
батарей и разработка оптимальных алгоритмов коммутации …………………….. 110
4.4.1 Отключение конденсаторных батарей ……………………………………… 110
4.4.2 Включение конденсаторных батарей …………………………………………. 112
4.5 Определение области эффективного применения устройств управляемой
коммутации в электрических сетях 6 (10) кВ ……………………………………………. 117
4.6 Выводы ……………………………………………………………………………………………… 121
5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЯЕМОЙ
КОММУТАЦИИ …………………………………………………………………………………………… 126
5.1 Постановка задачи……………………………………………………………………………… 126
5.2 Опытно-промышленная эксплуатация………………………………………………… 126
5.3 Выводы ……………………………………………………………………………………………… 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………………………………. 135
ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………………………………………….. 148
Приложение А …………………………………………………………………………………………. 149
Приложение Б ………………………………………………………………………………………….. 150
Приложение В………………………………………………………………………………………….. 151
Актуальность темы
Одним из основных элементов электрических сетей 6 (10) кВ систем
электроснабжения являются распределительные подстанции. В последнее время
происходит их широкая модернизация, в первую очередь, за счет замены
маломасляных выключателей на вакуумные, как обладающих лучшими
эксплуатационными свойствами [1 – 4].
Особенностью вакуумных выключателей является их наиболее высокая
дугогасящая способность и возможность отключать высокочастотные токи.
Вследствие этого вакуумные коммутационные аппараты дают большее число
повторных зажиганий дуги по сравнению с другими типами выключателей, что
сопровождается высокочастотными перенапряжениями [4 – 14], представляющими
наибольшую опасность для витковой изоляции электрооборудования и кабелей из
сшитого полиэтилена.
Еще одним фактором, который необходимо учитывать при коммутации
любыми типами выключателей является то, что при включении трансформаторов
и конденсаторных батарей могут возникать броски тока [15 – 22], которые
зачастую приводят к повышенным электродинамическим усилиям на
токоведущие элементы.
Для снижения негативного воздействия переходных процессов традиционно
применяются специальные средства ограничения. Например, в [23] рекомендуется
в случаях возникновения опасных коммутационных перенапряжений
использовать нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), RC-цепи и
устройства управляемой коммутации.
Широкое распространение получили устройства ОПН и RC-цепи [24 – 32].
Однако при возникновении высокочастотных перенапряжений ОПН
малоэффективны, так как не влияют на частоту воздействующего напряжения.
Применение же RC-цепей позволяет эффективно снижать высокочастотные
перенапряжения. В тоже время их использование может приводить к повышению
токов однофазного замыкания на землю.
Для ограничения амплитуды бросков тока обычно используются постоянно
включенные реакторы или предвключаемые резисторы [14 – 16, 33]. Применение
указанных решений в большинстве случаев оказывается неэффективным или
экономически не выгодным. Кроме того использование предвключаемых
резисторов требует дополнительных коммутационных аппаратов.
Указанные средства ограничения не решают проблему перенапряжений и
бросков тока кардинально, так как коммутация все равно может произойти в
наихудшей фазе напряжения. Принципиально иным способом снижения
негативного воздействия переходных процессов является использование
управляемой (или синхронной) коммутации.
Идея работы состоит в применении методов управляемой коммутации для
повышения качества и надежности функционирования электрических сетей
6 (10) кВ систем электроснабжения.
Степень разработанности темы
Исследованию процессов управляемой коммутации посвящены работы
Г.В. Буткевича, К.П. Кадомской, Л.Г. Клепарской, А.И. Лурье, Д.Ф. Алферова,
Г.С. Белкина, М.В. Чалого, О.И. Червинского, E Andersen, D. Goldsworthy,
рабочей группы WG 13.07 (A3.07) CIGRE «Controlled Switching of HVAC Circuit-
Breakers» и других. Несмотря на проведенные исследования [33 – 48] и наличие
аппаратов реализующих функцию управляемого включения или отключения [49 –
56], на сегодняшний день процессы управляемой коммутации вакуумных
выключателей в электрических сетях 6 (10) кВ недостаточно изучены.
Большинство работ в данной области относятся к высоковольтным выключателям
на классы напряжения 110 кВ и выше, которые эксплуатируются в электрических
сетях с заземленной нейтралью, а средой дугогашения является не вакуум.
Применительно же к напряжению 6 (10) кВ имеются лишь узкие исследования,
посвященные управляемой коммутации отдельных реактивных элементов в
электрических сетях [35, 39].
Поэтому необходимо проведение полноценного комплексного
исследования, затрагивающего изучение процессов коммутации, анализ
эффективности и определение области применения управляемой коммутации в
электрических сетях 6 (10) кВ систем электроснабжения, что и определяет
актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы:
Повышение эффективности функционирования электрических сетей
6 (10) кВ систем электроснабжения за счет управляемой коммутации вакуумными
выключателями реактивных нагрузок.
Задачи:
– разработать имитационную модель электрической сети 6 (10) кВ систем
электроснабжения для исследования переходных процессов при неуправляемой и
управляемой коммутации вакуумным выключателем трансформаторов,
электродвигателей и конденсаторных батарей;
– исследовать влияние параметров электрической сети на характер
переходных процессов, сопровождающих коммутацию реактивных нагрузок;
– разработать алгоритмы управляемой коммутации в зависимости от вида
коммутируемого присоединения и определить требования к временному разбросу
работы синхронного вакуумного выключателя;
– определить область эффективного применения устройств управляемой
коммутации в электрических сетях 6 (10) кВ систем электроснабжения и
выдвинуть рекомендации к их работе при включении и отключении
трансформаторов, электродвигателей и конденсаторных батарей.
Научная новизна:
– имитационная модель вакуумного выключателя 6 (10) кВ с функцией
управляемой коммутации и учитывающая особенности электрических процессов
в них;
– алгоритмы управляемой коммутации, позволяющие исключить
возникновение повторных зажиганий и уменьшить перенапряжения при
отключении индуктивных нагрузок, а также снизить амплитуду бросков тока при
включении трансформаторов и конденсаторных батарей;
– требования к разбросу времени размыкания или замыкания контактов
синхронного вакуумного выключателя при коммутации различных реактивных
элементов в электрической сети 6 (10) кВ систем электроснабжения.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии методологии
управляемой коммутации реактивных нагрузок в распределительных
электрических сетях.
Практическая значимость работы:
– разработанные имитационные модели могут быть использованы при
анализе переходных процессов при управляемой коммутации трансформаторов,
электродвигателей, конденсаторных батарей вакуумными выключателями, что
позволяет электросетевым организациям и производителям коммутационных
аппаратов обоснованно определять область эффективного применения устройств
управляемой коммутации в электрических сетях 6 (10) кВ систем
электроснабжения;
– разработанные алгоритмы управляемой коммутации различных
реактивных нагрузок и выдвинутые технические требования к работе синхронных
вакуумных выключателей, могут применяться при проектировании и
эксплуатации устройств управляемой коммутации в электрических сетях 6 (10) кВ
систем электроснабжения;
– полученные при выполнении работы результаты используются научно-
производственным предприятием ООО «КЭПС» (г. Новосибирск) при настройке
системы управления синхронного вакуумного выключателя типа EX-BBC
SMARTIC 6(10)-20/1000 и АО «РЭС» (г. Новосибирск) для снижения бросков
тока и перенапряжений при плановых коммутациях в городских электрических
сетях 6 (10) кВ г. Новосибирска.
Личный вклад автора
Автором работы выполнен аналитический обзор по тематике
диссертационной работы, разработана имитационные модели для исследования
переходных процессов при коммутации электрических сетей 6 (10) кВ систем
электроснабжения, проведено исследование переходных процессов при
коммутации различных реактивных нагрузок, выполнен анализ полученных
результатов и их сравнение с имеющимися экспериментальными данными,
приведенными в литературных источниках.
Методология диссертационного исследования
Методологической и теоретической основой диссертационного
исследования послужили научные работы отечественных и зарубежных ученых в
области исследования и ограничения перенапряжений, исследования переходных
процессов при коммутациях в электрических сетях.
Методы диссертационного исследования
При выполнении работы использовались методы имитационного
моделирования. Исследования основывались на положениях теории нелинейных
электрических цепей, теории магнитных цепей, методах структурного
моделирования. Анализу и обработке подвергались экспериментальные данные,
приведенные в литературных источниках.
Положения, выносимые на защиту:
– разработанная имитационная модель электрической сети 6 (10) кВ для
исследования переходных процессов при неуправляемой и управляемой
коммутации;
– разработанная имитационная модель синхронного вакуумного
выключателя, учитывающая особенности электрических процессов в них;
– предложенные алгоритмы управляемого включения и отключения
реактивных нагрузок, позволяющие уменьшить негативное воздействие
переходных процессов;
– установленные требования к точности управления синхронного
вакуумного выключателя при коммутации различных реактивных элементов;
– проведенный анализ области применения управляемой коммутации в
электрических сетях 6 (10) кВ систем электроснабжения.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов работы подтверждается использованием
современных средств имитационного моделирования; апробацией и
верификацией разработанных моделей на основе экспериментальных данных,
полученных из литературных источников.
Апробация результатов
Основные результаты и положения работы обсуждались на семинарах
кафедры систем электроснабжения предприятий и факультета энергетики НГТУ
(2014-2016 гг.) и докладывались на следующих конференциях: на ХХ
международной научно-практической конференции «Современная техника и
технологии», Томск, 2014 г.; на I международной научной конференции молодых
учёных «Электротехника. Энергетика. Машиностроение», Новосибирск, 2014 г.;
на XXI всероссийской научно-технической конференции, г. Томск, 2015 г.; на 54-
ой международной научной студенческой конференции, г. Новосибирск, 2016 г.;
на XI Международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST-2016),
г. Новосибирск, 2016 г.; на международной научно-практической конференции
«Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом
комплексе», г. Тюмень, 2016 г., на Республиканской научно-практической
конференции «Электроэнергетика, гидроэнергетика, надежность и безопасность»,
г. Душанбе, Таджикистан, 2016 г.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, из них 5
статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 3
статьи в других периодических изданиях; 7 работ в сборниках трудов
международных и всероссийских научно-технических конференций.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит их введения, пяти разделов, заключения и
приложений. Основной текст работы изложен на 147 страницах и включает 59
рисунков, 6 таблиц, список литературы, состоящий из 112 наименований.
Научные и практические результаты проведенных исследований могут быть
сформулированы следующим образом.
1. Разработаны имитационные модели, позволяющие исследовать
перенапряжения и броски тока, возникающие при коммутациях вакуумными
выключателями трансформаторов, электродвигателей, конденсаторных батарей. В
имитационной модели синхронного вакуумного выключателя учтены
характеристики реальных вакуумных выключателей и предусмотрена
возможность разновременной коммутации полюсов аппарата. Результаты,
полученные по предложенным моделям, имеют хорошее соответствие с
экспериментальными данными, приведенными в литературных источниках.
2. Алгоритмом управляемого отключения ненагруженного трансформатора
является алгоритм А-В-С, в этом случае отключение двух первых фаз необходимо
произвести при переходе токов в этих фазах через ноль, отключение оставшейся
фазы выполнить после окончания переходных процессов в предшествующей
фазе. Управляемое отключение позволяет исключить появление повторных
зажиганий дуги и возникающие перенапряжения. Допустимый разброс времени
размыкания контактов выключателя не должен превышать 0,8 мс при k=50 кВ/мс.
3. Алгоритмом управляемого включения трансформатора является алгоритм
СВ-А. В этом случае необходимо одновременно произвести коммутацию двух
первых фаз в момент максимального линейного напряжения между фазами. Далее
произвести коммутацию третьей фазы в момент максимального напряжения на
этой фазе. Включение трансформатора при отсутствии остаточной
намагниченности позволяет снизить броски тока до значений, не превышающих
номинальный ток трансформатора с допустимым разбросом не более 1,2 мс. При
наличии остаточной намагниченности удается снизить броски тока до уровня, не
превышающего 3·Iном.m с допустимым разбросом не более 0,5 мс.
4. Алгоритмом управляемого отключения пускового тока электродвигателя
является алгоритм А-ВС. Отключение производится с опережением момента
перехода токов в фазах через ноль. Управляемое отключение позволяет исключить
повторные зажигания дуги и условия появления виртуальных срезов тока и
уменьшить возникающие перенапряжения до уровня 2,3·Uфm. Допустимый
разброс размыкания контактов выключателя определяется заданным временем
начала размыкания контактов до перехода тока через ноль. В случае отключения
пускового тока электродвигателя за 1,25 мс до перехода токов через ноль разброс
размыкания каждого полюса выключателя должен составлять не более 2 мс.
5. Алгоритмом управляемого включения электродвигателя является алгоритм
С-В-А. В этом случае включение первого полюса выключателя производится в
момент перехода фазного напряжения через ноль, второго – в момент перехода
линейного напряжения между этими фазами через ноль, третьего – в момент
перехода фазного напряжения через ноль. Управляемое включение
электродвигателя позволяет исключить появление предпробоев и возникающие
перенапряжения. Допустимый разброс в работе каждого полюса выключателя при
этом должен составлять не более 0,05 мс, что делает неосуществимым
практическую реализацию управляемого включения электродвигателей без
возникновения предпробоев в настоящее время.
6. Отключение конденсаторной батареи современными вакуумными
выключателями с высокими скоростями нарастания электрической прочности (от
20 кВ/мс) характеризуется низкой вероятностью возникновения повторных
зажиганий дуги и высокочастотных перенапряжений. Для исключения
вероятности появления повторных зажиганий отключение конденсаторной
батареи должно проводиться по алгоритму А-ВС: отключение производится с
опережением момента перехода токов в фазах через ноль. При этом разброс
момента срабатывания каждого полюса выключателя составляет не более 2 мс.
7. Алгоритмом управляемого включения конденсаторной установки
является алгоритм СВ-А. В этом случае необходимо одновременно произвести
включение двух фаз батареи в момент совпадения линейных напряжений между
фазами на выключателе со стороны системы и нагрузки. Далее произвести
коммутацию третьей фазы в момент равенства соответствующих напряжений
коммутируемой фазы на выключателе. Включение конденсаторной батареи с
любым остаточным зарядом по алгоритму СВ-А позволяет снизить броски тока до
значений не более 3·Iном.m с допустимым разбросом замыкания полюсов
выключателя не более 0,6 мс. Использование алгоритмов управляемой
коммутации в случае коммутации конденсаторных батарей позволяет выполнять
повторное включение сразу после отключения, без задержки времени для разряда
конденсаторов. Это, в свою очередь, позволяет на основе управляемой
коммутации реализовать быстродействующее устройство компенсации
реактивной мощности.
8. Полученные при выполнении работы результаты используются научно-
производственным предприятием ООО «КЭПС» (г. Новосибирск) при настройке
системы управления синхронного вакуумного выключателя типа EX-BBC
SMARTIC 6(10)-20/1000.
9. Полученные при выполнении работы результаты используются
АО «РЭС» в филиале «Новосибирские городские электрические сети» для
снижения бросков тока и перенапряжений при плановых коммутациях
вакуумного выключателя, установленного в ячейке 13, РП-3.
10. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе,
используются в учебном процессе на факультете энергетики Новосибирского
государственного технического университета при подготовке бакалавров и
магистров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника»
(в лекционных курсах, а также при проведении лабораторных и практических
занятий по дисциплинам «Системы электроснабжения», «Проектирование и
эксплуатация систем электроснабжения»).
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (522 отзыва)
4.7 (96 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.7 (82 отзыва)
5 (20 отзывов)
0 (13 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (14 отзывов)
5 (8 отзывов)
