Ограничение токов короткого замыкания делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы

В сетях различного напряжения электроэнергетических систем (сокращенно — энергосистем, систем) уровень токов короткого замыкания (КЗ) в той или иной степени непрерывно возрастает. При этом требования к электрическим аппаратам, проводникам, силовым (авто)трансформаторам и конструкциям распределительных устройств (РУ) становятся все более жесткими. Возникает проблема согласования или координации параметров электрооборудования с существующими или ожидаемыми уровнями токов КЗ [В.1]. Она обострилась сравнительно недавно — в 60−70-е годы — в связи с бурным развитием электроэнергетики, выражающимся ростом единичных мощностей генерирующих агрегатов, электростанций, подстанций и энергосистем, развитием сетей среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений.

На ближайшие годы в стране запланированы вводы генерирующих мощностей. Особенно пристальное внимание уделяется густонаселенным промыш-ленно развитым регионам, в которых возможен дефицит мощности. По прогнозам к 2020 г. уровень электропотребления здесь может заметно возрасти. Такие приросты серьезно затронут структуру электростанций и электрических сетей [В.2].

Большая концентрация источников и потребителей электроэнергии на сравнительно небольшой территории накладывает особенность на организацию схем выдачи мощности электростанций и электрических сетей. Она связана с необходимостью глубокого ограничения токов КЗ в узлах энергосистемы. Дополнительный фактор их роста в крупных городах — применение кабельных линий 110 кВ и выше (для сохранения окружающей среды), имеющих более низкие значения сопротивлений по сравнению с воздушными линиями соответствующего класса напряжения.

Для ограничения токов КЗ на электростанциях и в сетях энергосистем используются [В.1] схемные решения, стационарное или автоматическое деление сети, токоограничивающие устройства, оптимизация режима заземления нейтралей электрических сетей.

Теоретические основы указанных методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [В.1, В. З-В.9 и др.] исследовались различные средства ограничения токов КЗ: реакторы простые и сдвоенные, трансформаторы с расщепленными обмотками, резонансные токоограни-чивающие устройства различных видов, ограничители ударного тока, вставки постоянного тока, а также устройства, использующие высокотемпературную сверхпроводимость. В работе [В .10] описаны схемные решения, принимаемые на стадии проектирования.

Тем не менее, анализ фактических данных показывает [В.11 — В.16], что в электрических сетях 110 кВ и выше одним из основных и наиболее эффективных мероприятий оказывается деление сети. Так, в Московском регионе примерно 20% наиболее крупных коммутационных узлов сети 110−220 кВ (шин электростанций и подстанций) подвергнуто стационарному делению на шиносоедини-тельных, секционных и линейных выключателях (всего более 100 точек стационарного деления сети).

Стационарное деление шин 110−220 кВ электростанций и подстанций ограничило токи КЗ в Московском регионе уровнем до 30−40 кА, а не 130−140 и 70−80 кА в сетях соответственно 110 и 220 кВ при отсутствии деления.

Автоматическое деление сети используется реже. Оно не уменьшает электродинамических воздействий на электрооборудование линейных присоединений и требует более высоких соотношений предельных сквозных токов выключателей и их токов отключения. В противном случае необходимо считаться с риском при работе оборудования в зоне ненормированных параметров.

Среди специалистов бытует мнение, что деление высоковольтных электрических сетей — вынужденное решение, отрицательно сказывающееся на надежности электростанций и электрических сетей. Оно снижает не только токи КЗ, но и жесткость сети — увеличивает ее результирующее эквивалентное сопротивление. Это требует согласовывать изменения структуры сетей с проблемой устойчивости. Действительно, с точки зрения устойчивости работы электрических машин эквивалентное сопротивление генерирующих источников ограничено. Оно не должно превышать определенного значения, зависящего от параметров источников. Аргументация носит во многом качественный характер и не подтверждена количественными показателями. Деление сетей так же нарушает естественное по-токораспределение активной мощности, приводя к возрастанию потерь мощности и электроэнергии в энергосистеме.

В диссертационной работе [В .16] эти факторы так же были отмечены, но только качественно. Более того, стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ является вынужденным решением при эксплуатации энергосистем и не может заменить собой схемных решений (оптимизации структуры и параметров сетей — см. [В.1]).

Наконец, в последние годы в России наметилась тенденция к «отпусканию» уровней токов КЗ в электрических сетях. По требованию ОАО «СО ЕЭС» принудительно снижается количество точек деления сетей для повышения их надежности. Токи КЗ при этом существенно возрастают. Так, в Московском регионе на значительном количестве вновь вводимых электросетевых объектов устанавливается оборудование на максимально возможный ток КЗ не 40 кА, (как на протяжении многих десятилетий), а 63 кА. Такое оборудование в нашей стране практически не производится. Подобная техническая политика позволяет загружать только зарубежные электроаппаратостроительные заводы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что до сих пор недостаточно исследована комплексная эффективность ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.

При решении подобного класса задач оправдано использовать общие положения изучения больших систем энергетики, именуемые системным подходом [В. 17]. Как известно, системный подход исходит из рассмотрения последних целостным множеством элементов, обладающим свойствами, несводимым к сумме свойств, входящих в него элементов. При этом во главу ставится постулат, что развитие объектов определяется причинно-следственными связями, выражающимися совокупностью объективных тенденций и закономерностей.

Таким образом, существо научно-технической задачи, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в оценке комплексного влияния ограничения токов короткого замыкания делением электрических сетей на режимы энергосистемы с учетом ее реальной структуры и параметров. Получаемые при этом рекомендации предназначены для принятия решений, как при текущей эксплуатации, так и на перспективу.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы заключается в разработке теоретических и практических положений, связанных с исследованием комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценки его влияния на режимы энергосистемы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— выявлены закономерности, дающие оценку влияния ограничения уровней токов КЗ путем стационарного деления сети на надежность и экономичность режимов работы одной из крупнейших региональных энергосистем страны;

— установлены причинно-следственные связи, когда развитые электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счет различных схемных решений при проектировании энергосистем.

— уточнены рекомендации по выбору методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше энергосистем.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами вычислительного эксперимента на математических моделях, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций, электрических сетей, энергосистем) на современном этапе.

Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно-обоснованных рекомендаций, связанных с комплексной оценкой эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей в условиях различной структуры и параметров реальной энергосистемы.

Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся при использовании основных методов ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования и эксплуатации в совокупности с состоянием и развитием электрических сетей 110−500 кВ одной из крупнейших региональных энергосистем страны. Такая концепция реализована впервые. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 — 220 кВ стационарным делением электрических сетей, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы.

2. Доказано, что электрические сети 110 кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки приоритетно использовать принципы продольного и поперечного разделения сетей, предложенные проф. Б. Н. Неклепаевым [В.1], для стабилизации уровней токов КЗ, а именно: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряженияб) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряженияв) наложения сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

3. Обосновано на примере конкретной энергосистемы, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 — 220 кВ энергосистем страны.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение комплексного подхода для оценки эффективности ограничения уровней токов КЗ стационарным делением электрических сетей и оценка его влияния на режимы энергосистемы.

2. Оценка эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ.

3. Причинно-следственные связи в структуре и параметрах энергосистем при использовании различных методов ограничения уровней токов КЗ.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на следующих семинарах конференциях: 79-м и 80-м международных семинарах им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007; Иркутск, 2008) — 13-й, 14-й и 15-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2008), а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журналах «Известия РАН. Энергетика» (2009), «Электрические станции» (2007, 2008), Вестник ИГЭУ (2005) и в трудах четырех конференций и семинаров. Количество публикаций по теме диссертации составляет восемь печатных работ, из них четыре в изданиях по списку ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (акта внедрения результатов работы).

4.5. Выводы.

1. Развитые электрические сети 110 кВ и выше энергосистемы Московского региона, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровня токов КЗ. Это позволяет при значительном росте нагрузки иметь сети со стабильным наибольшим уровнем токов КЗ за счёт:

— перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряжения;

— поперечного разделения сетей;

— продольного разделения сетей.

2. С позиций потерь активной мощности и электроэнергии определяющим является режим стационарного деления в сети 110 кВ. При этом количество линий с высокими потерями активной мощности примерно одинаково. Влияние на системообразующие сети 500 кВ и выше практически отсутствует. Таким образом, стационарное деление электрических сетей рассматриваемого региона влияет на распределение потоков мощности только внутри него, не влияя на смежные энергосистемы.

3. Стационарное деление электрических сетей 110 — 220 кВ позволяет координировать уровни токов КЗ с коммутационной способностью современных выключателей. При этом издержки, связанные с возмещением потерь электроэнергии при использовании стационарного деления, более чем в 100 раз меньше затрат на комплексное техническое перевооружение и реконструкцию распределительных устройств подстанций 220 кВ на более высокие уровни токов КЗ.

4. При планировании развития электрических сетей мероприятия по ограничению токов КЗ в одной сети можно проводить практически независимо от состояния сети смежного класса напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработаны теоретические и практические положения, связанные с комплексным обоснованием эффективности ограничения уровней токов КЗ делением электрических сетей и оценкой его влияния на режимы региональной энергосистемы, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Получены новые теоретические результаты:

1. Реализован комплексный подход к оценке эффективности ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 — 220 кВ стационарным делением электрических сетей, включая надежность и экономичность режимов работы конкретной энергосистемы. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения на стадии проектирования и эксплуатации.

2. Доказано, что электрические сети 110кВ и выше, разделенные автотрансформаторными связями, объективно незначительно влияют друг на друга с позиций роста уровней токов КЗ. Данная закономерность позволяет при значительном росте нагрузки приоритетно использовать схемные решения, предложенные проф. Б. Н. Неклепаевым, для стабилизации уровней токов КЗ, а именно: а) перераспределения выдачи мощности электростанций между сетями различного напряженияб) выделения части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой только через сеть повышенного напряженияв) наложения сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения.

3. Обосновано, что оптимизация структуры и параметров высоковольтных электрических сетей с позиций ограничения уровней токов КЗ должна быть приоритетной задачей при разработках схем развития мегаполисов. Это является научно обоснованной альтернативой наметившейся в последние годы и не до конца продуманной тенденции «отпускания» уровней токов КЗ в сетях 110 — 220 кВ энергосистем страны.

Оценка комплексной эффективности схемных решений для ограничения уровней токов КЗ может оказаться перспективной задачей для будущих исследований.

Получены новые практические результаты:

4. Предложены рекомендации по эффективности методов ограничения уровней токов КЗ в электрических сетях 110 кВ и выше, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:

— при формировании структуры электрических сетей мегаполисов в условиях больших приростов генерации и потребления еще более обострится проблема ограничения уровней токов КЗ в сетях 110 — 220 кВ. Необходимо принимать во внимание, что основными методами ограничения уровней токов КЗ на стадии проектирования являются схемные решения, а на стадии эксплуатации — стационарное деление сети. Использование токоограничивающих устройств так же является одним из методов ограничения токов КЗ, но для сетей 110 — 220 кВ он, до сих пор, не нашел широкого применения- - стационарное деление электрических сетей для ограничения уровней токов КЗ имеет как положительные, так и отрицательные свойства с позиций надежности. Положительным является разукрупнение коммутационных узлов на непосредственно электрически не связанные части. Это повышает надежность режимов работы электростанций и энергосистемы в целом за счет локализации возмущений. Отрицательным следствием стационарного деления сетей является некоторое ухудшение условий обеспечения статической и динамической устойчивости генераторов электростанций. Однако эти изменения проявляются либо в гипотетических расчетных зонах, или имеют качественный характер.

Поэтому применительно к условиям мегаполисов стационарное деление электрических сетей 110 — 220 кВ следует признать в целом рациональным решением с позиций надежности;

— основным ограничением при формировании схем выдачи мощности электростанций при напряжении 110 — 220 кВ в рассматриваемом регионе является недопущение ограничения перетоков мощности при неполной схеме по критерию длительно допустимых токовых нагрузок проводников и аппаратов, а так же снижения уровней напряжения по узлам сети в послеаварийных установившихся режимах. Фактор устойчивости, имеющий первостепенное значение для основных сетей энергосистем, ослабевает, отходит на второй план.

— деление электрических сетей нарушает естественное потокораспределе-ние активной мощности, увеличивая потери мощности и энергии в сетях. Однако в рассматриваемом регионе крайне незначительные межузловые расстояния в сетях 110 — 220 кВ, что заметно ослабляет данное отрицательное воздействие. Так, показано, что издержки, связанные с возмещением потерь электроэнергии при стационарном делении, в 100 раз меньше затрат на комплексное техническое перевооружение и реконструкцию распределительных устройств подстанций 220 кВ на более высокие уровни токов КЗ.

Таким образом, при формировании структуры электрических сетей 110 -220 кВ мегаполисов (то есть с учетом необходимости ограничения уровней токов КЗ) целесообразно принимать во внимание принципы, характерные для распределительных сетей. Одним из основных положений является оптимизация точек деления сети по критерию надежности (категорийности) электроснабжения потребителей и минимизации потерь мощности и электроэнергии в условиях жесткого ограничения уровней токов КЗ в этой сети;

— можно приветствовать появление в перспективе новых средств ограничения токов КЗ на базе высокотемпературных сверхпроводников, а так же полупроводниковой техники для сетей 110 кВ и выше. Однако следует иметь в виду, что технико-экономическая эффективность этих средств должна быть достаточно высокой. Причина кроется в том, что уровни токов КЗ, в крайнем случае, можно стабилизировать стационарным делением сетей 110 — 220 кВ.

Использование практических результатов:

5. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость решений, принимаемых на перспективу, а также надежность и экономичность электроустановок.

6. Разработанные практические рекомендации по оценке комплексной эффективности ограничения уровней токов КЗ использованы ОАО «ФСК ЕЭС» при обосновании и выборе параметров основного электротехнического оборудования и схем электрических соединений подстанций единой национальной электрической сети.