Теоретические и экспериментальные исследования высокочастотных перенапряжений на высоковольтных подстанциях энергосистем и разработка защитных мероприятий

Надежность высоковольтных сетей во многом определяется различного рода электромагнитными переходными процессами, которые возникают на отдельных участках и схемах сетей. Одним из факторов, снижающих надежность работы изоляции оборудования высоковольтных подстанций, являются переходные процессы, сопровождающиеся перенапряжениями, возникающими при плановых коммутациях. Одной из таких операций являются коммутации ненагруженных холостых шин подстанций под рабочим напряжением. Факторами, влияющими на изоляцию электрооборудования, являются, во первых, высокая кратность ВЧ перенапряжений, достигающая (4⁵)-иф. Во-вторых, происходит перегрев изоляции вводов трансформаторов тока и напряжения, который приводит к ее ускоренному старению, деградации и последующему разрушению. В-третьих, распространение ВЧ перенапряжений, индуктированные во вторичные цепи (цепи релейной защиты, связи, измерений), приводит к нарушению их работы.

В настоящей работе рассмотрены вопросы генерирования высокочастотных перенапряжений (ВЧП), возникающих при коммутациях холостых шин, их расчет, моделирование и регистрация, способы защиты от них, а также предлагаемая методика и устройства для подавления ВЧП.

В первой главе рассмотрена физика развития ВЧП при коммутациях холостых шин и выполнен обзор методов снижения ВЧП, рекомендованных, методическими указаниями в энергосистемах. Показана недостаточность рекомендуемых методов и ставится задача исследований.

Во второй главе рассмотрены аппаратные средства измерений ВЧП на подстанциях под рабочим напряжением и при моделировании ВЧП. Показано, что корректность таких измерений во многом зависит от соотношения параметров оборудования и входных и паразитных параметров измерительных цепей, при этом принятые методы дают погрешность, не позволяющую выделить полезный сигнал из наведенных ВЧ напряжений по паразитным цепям. Описаны разработанные автором методика измерений и цифровая измерительная аппаратура для измерений ВЧП при их моделировании на подстанциях и коммутациях холостых шин. Особенностью системы является полная гальваническая развязка миниатюризированного блока измерений и блока регистрации на основе ПЭВМ, которая осуществлена через оптоволоконный кабель, что решает проблемы защиты.

ТТЛ. Г"ЛТТ гт^ .—I «» «. Лт *ТЛЖ"Л ГГ/>ТТ"ГГ ТЖГ DTI FT/VnaTTf 1Т1П ТТЛТ1 ТТЛ КП f 'I'lTITll I I, А * ТТОТТЯ!* T5 Т Т Г* /* ТУ* О СТ.

MJlVXtpM ICJlOnuirl VilClfciVim U1 naoV/ДЬППШЛ и I ±nn.vxiij, iricwnf. D nvj iictpaoiriiiiiJiivi j^viLam. J"uivuim частота дискретизации измеряемого сигнала позволяет регистрировать и запоминать переходные процессы с частотами до нескольких МГц.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ВЧП на подстанциях ЦЭС ОАО «Колэнерго» Предложен и испытан метод моделирования ВЧП на оборудовании отключенной подстанции, позволяющий уточнить распределенные и паразитные параметры всей схемы подстанции при типовых коммутациях. Моделирование позволяет уточнить значения собственных частот схемы подстанции при коммутациях и определить коэффициенты затухания переходных процессов. При моделировании ВЧП было определено, что достаточно точным методом косвенных измерений ВЧП при реальных коммутациях холостых шин под напряжением являются измерения через измерительные обкладки трансформаторов тока и вводов силовых трансформаторов. Измерения, выполненные через эти обкладки при коммутациях холостых шин, позволили рассчитать значения перенапряжений на изоляции оборудования подстанций. В диссертации приведены результаты экспериментов при моделировании ВЧП на ПС № 204 и измерений ВЧП через измерительные обкладки на подстанциях №№ 202 и 204, выполнены их сопоставление и анализ.

Четвертая глава посвящена вопросам разработки методов расчета защиты оборудования подстанций от ВЧП и конструктивным решениям устройств защиты на подстанциях. Показано, что наиболее эффективным методом защиты является установка на шинах, соединяющих коммутируемый разъединитель, устройств, обеспечивающих диссипацию коммутационных ВЧ колебаний, а именно, снижение их амплитуды и увеличение затухания. Модель устройства прошла успешные лабораторные испытания, результаты которых приведены в диссертации. Показано, что амплитуда ВЧП может быть снижена вдвое, а декремент затухания — в десять раз. В главе приведена конструкция устройства подавления ВЧП.

Недостаточная изученность высокочастотных процессов как явления в теории электрических цепей с сосредоточенными параметрами, а также потребность в создании эффективных средств защиты электротехнического оборудования от высокочастотных перенапряжений определяют актуальность работы.

Работа выполнялась в рамках плановой госбюджетной работы Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН «Разработка стратегии сохранения технического уровня и обеспечения надежности систем передачи электроэнергии в меняющихся технико-экономических условиях Севера страны» (инв.№ 1 990 002 845), а также ряда хоздоговорных работ с ОАО «Колэнерго».

Заключение

.

В соответствии с поставленной задачей выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований развития высокочастотных перенапряжений на под станционном оборудовании при коммутации разъединителями участков холостых шин. Показано, что действующие методические указания по защите от этого вида перенапряжений позволяют подробно исследовать физику развития колебаний в упрощенных схемах замещения подстанций. Однако эти указания не охватывают весь круг проблем, возникающих в эксплуатации. В методических указаниях рассмотрены переходные процессы лишь в достаточно условных, однородных схемах замещения, в линейной постановке задачи, при пренебрежении частотными зависимостями параметров схем. Способы снижения перенапряжений фактически сведены к организационным мероприятиям. Не рассмотрены методы подавления колебаний и волновых процессов в шинах с помощью каких-либо дополнительных устройств. Настоящая теоретическая и экспериментальная работа во многом снимает перечисленные ограничения. Измерения перенапряжений выполнялись на ряде действующих высоковольтных подстанций при коммутациях разъединителей под рабочими и пониженными напряжениями сети. Теоретический анализ развития перенапряжений и опасных токов для изоляции трансформаторов тока выполнен в виде многоэтапного исследования. На первом этапе сформулированы основные допущения. Оценена обоснованность их введения. Исследовано влияние частотных зависимостей параметров схем замещения. На втором этапе выполнен анализ различных способов снижения перенапряжений в линейной постановке задачи. Третий этап посвящен выбору оптимальной конфигурации защитных устройств. На четвертом этапе исследовано влияние нелинейных процессов в схемах замещения подстанций с защитными устройствами. Результаты расчетов сопоставлены с данными экспериментов. Защитное устройство внедрено в опытную эксплуатацию на одной из подстанций 330 кВ ОАО «Колэнерго».

По диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Разработана измерительная аппаратура для регистрации высокочастотных перенапряжений на действующих подстанциях с частотой дискретизации до 100 МГц (таг по времени 10 не). Между блоками измерения и регистрации выполнена полная гальваническая развязка, обеспечившая высокую помехоустойчивость измерений и исключение влияние паразитных параметров блока аппаратуры на результаты измерений.

3. В диссертации впервые дано непосредственное сопоставление экспериментальных и теоретических данных по амплитудам перенапряжений в различных точках подстанции. Это сопоставление показало удовлетворительную сходимость опытов и расчетов. Одновременно, заметное расхождение в формах кривых требует развития математических моделей и исследования факторов возможного искажения реальной картины при регистрации колебаний в действующей высоковольтной сети.

4. Показано, что проникновение магнитного поля в грунт и связанные с этим увеличение погонной индуктивности шин и потери, внесенные в контур шина-земля, существенно уточняют картину развития перенапряжений в схемах подстанций без дополнительных защитных устройств. На примере схемы замещения типовой подстанции определены характерные спектры собственных частот колебаний и оценены затухания на этих частотах.

5. В качестве основной меры по подавлению колебаний в работе выбрано продольное активно-индуктивное защитное устройство. Рассмотрение эффективности такого устройства начато с коаксиальной системы при заполнении слоя между внутренним и внешним проводником материалом с повышенной магнитной проницаемостью. На низких частотах, в том числе и на рабочей частоте сети, весь ток течет по внутреннему проводнику, в качестве которого используется обычный сталеалюминевый провод подстанции. На частотах в сотни килогерц, характерных для рассматриваемого вида коммутаций, за счет поверхностного эффекта ток вытесняется во внешний проводник. В настоящей работе показано, что существует диапазон погонных активных сопротивлений внешнего проводника, в котором обеспечивается максимальное затухание переходного процесса. Для длины защитного устройства 10 м оптимальное значение суммарного сопротивления внешнего проводника приблизительно соответствует волновому сопротивлению шин. При сопротивлении ниже этого диапазона потери в защитном устройстве недостаточны для эффективного ограничения перенапряжений. При слишком большом активном сопротивлении вытеснение тока происходит на частотах, превышающих основную частоту переходного процесса. Защитные функции устройства также ослабляются.

6. Специальное исследование, выполненное в рамках настоящей работы, показало, что с достаточной степенью точности исходные частотнозависимые параметры защитного устройства можно моделировать простейшей схемой из двух параллельных RL-цепочек с постоянными параметрами. Предложен способ расчета параметров этих цепочек. Показано, что в расчетах взаимной индуктивностью между внутренним и внешним проводником можно пренебречь. Эти результаты приводят к выводу о том, что теоретически наиболее эффективная коаксиальная система для вытеснения тока в проводник с большим сопротивлением может быть заменена отдельными параллельными проводами с малым сопротивлением, но с большой погонной индуктивностью, а также с большим сопротивлением и с малой индуктивностью.

7. Рассмотрено влияние насыщения ферромагнитного материала, обеспечивающего большую индуктивность упомянутых выше проводов. На примере расчета токов в коммутируемом участке шин показано, что, несмотря на достаточно быстрое насыщение ферритов при росте тока в основных проводах, амплитуды высокочастотных токов и особенно длительности их существования резко ограничиваются при установке предлагаемой продольной активно-индуктивной защиты.

8. Предложен вариант практической реализации такой системы на подстанциях класса напряжения 330 кВ. Выполнен подробный расчёт всевозможных механических нагрузок на конструкции устройства и элементов её крепления. Показано, что продольная активно-индуктивная защита может устанавливаться без существенного усиления конструктивных элементов подстанции. Экспериментальный вариант устройства установлен и испытан на одной из подстанций ОАО «Колэнерго».

Изложенное выше позволяет говорить о том, что данная работа является законченным исследованием по разработке путей повышения надежности эксплуатации трансформаторов тока и другого подстанционного оборудования.