Схемы и основные свойства систем электроснабжения с тремя взаимосвязанными трехфазными подсистемами

А.Е.Веселов, В.В.Ярошевич, Е.А.Токарева, Г.П.Фастий

СХЕМЫ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ТРЕМЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫМИ ТРЕХФАЗНЫМИ ПОДСИСТЕМАМИ

Аннотация

Предложены новые принципы построения систем электроснабжения с глубоким ограничением токов короткого замыкания на базе создания трехфазных подсистем для подключения электроприемников. Применение в этих схемах токоограничивающих устройств позволяет в установившихся режимах выравнивать загрузки источников питания и обеспечивает высокое качество электроэнергии у потребителей.

Ключевые слова:

система электроснабжения, короткое замыкание, токоограничивающее устройство, обмотки трансформаторов, связанные подсистемы.

A.E.Veselov, V.V.Yaroshevich, E.A.Tokareva, G.P.Fastiy

SCHEM ES AND THE BASIC PROPERTIES OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS WITH THREE INTERCONNECTED THREE-PHASE SUBSYSTEMS

Abstract

There have been proposed the new principles of power supply systems construction with a deep short-circuit current limitation based on three-phase subsystems to connect power consumers. Application of current-limiting device in these schemes allows to level the loading of power supplies in a steady state and provides high quality electric power for consumers.

Keywords:

power system, short circuit, current-limiting device, transformer windings, connected subsystems.

Новая идея построения систем электроснабжения (СЭ) с малыми уровнями токов короткого замыкания (КЗ) предложена в [1, 2]. Для ее реализации в энергосистеме следует выделить три находящихся в синхронизме источника питания, например, генераторы, трансформаторы или их отдельные группы, а для подключения трехфазных электроприемников образуются три трехфазные подсистемы, фазы которых принадлежат к различным источникам питания. При получающемся в данном случае «перепутывании» фаз в подсистемах возникающие КЗ либо не сопровождаются ростом токов (сети с изолированной нейтралью 6-10 и 35 кВ), либо имеют только характер менее опасных однофазных замыканий (сети 0.4, 110 кВ и выше).

Схема на рис.1 иллюстрирует принцип построения такой СЭ. Она содержит три источника питания (ИП) и три подсистемы (ПС) с соответствующими нагрузками SH. Фазы «Аі», «Ві» и «Сі» в ПСі соединены соответственно с фазой «Аі» ИПЬ фазой «В3» ИП3 и фазой «С2» ИП2. По такому же принципу присоединяются шины ПС2 и ПС3. Условно показано соединение фаз ИП в звезду. При рассмотрении режимов сети с глухозаземленной нейтралью ключ К замыкается.

При одинаковых трехфазных нагрузках подсистем имеем симметричные режимы с одинаковыми токами фаз во всех ИП и ПС. Неравномерность нагрузок (SHI Ф SH2 ф SH3) вызывает нежелательную несимметрию токов ИП и напряжений на шинах ПС. Для устранения указанных негативных явлений можно в нормальном режиме соединить соответствующие фазы шин трех подсистем ПС с помощью токоограничивающих устройств (ТОУ) (показаны на рис.1 пунктиром), проходная мощность которых рассчитана только на относительно небольшие уравнительные токи.

Токоограничивающие устройства выравнивают загрузки ИП и обеспечивают высокое качество напряжения за счет их параллельной работы.

Рис.1. Принципы построения системы электроснабжения с подсистемами

Рассмотрим для сети с заземленной нейтралью аварийный режим трехфазного короткого замыкания на землю на присоединении к шинам ПСі за выключателем В. После срабатывания ТОУ и обесточивания тем самым всех связей шин ПС (при использовании ТОУ реакторно-тиристорного типа - РТУ[1] - это произойдет примерно через 0.01с после возникновения КЗ) величины аварийных токов резко изменяются. Для каждого из ИП трехфазное КЗ переходит в однофазное, когда токи обычно снижаются, и имеется набор относительно недорогих мероприятий по их дополнительному уменьшению за счет принудительного изменения сопротивления «нулевой» последовательности [3]. На шинах неаварийных подсистем ПС2 и ПС3 при этом сохраняется близкое к номинальному напряжение на всех фазах. После ликвидации аварии (отключен выключатель В) восстанавливается напряжение на шинах ПС1, а после замыкания связей подсистем через ТОУ система возвращается в нормальное состояние.

В сети с изолированной нейтралью токи в месте КЗ после срабатывания ТОУ не привышают трехкратного номинального тока нагрузки одной подсистемы. Однако в аварийных режимах будет увеличиваться напряжение на шинах неаварийных ПС при сохранении его симметрии по фазам. Наибольшее повышение напряжения возникает при слабой загрузке подсистемы, когда его величина достигает в пределе ^3 ином. На рисунке 2 представлена диаграмма, показывающая векторы фазных и линейных напряжений ПС в нормальном режиме (сплошные линии) и в аварийном режиме при КЗ на шинах ПС (пунктирные линии).

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в нормальном и аварийном режимах

Помимо роста напряжений наблюдается их сдвиг по фазе на (-30) электрических градусов в ПС2 и на (+30о) в ПС3. Нежелательность таких перенапряжений требует ограничения длительности КЗ, например, за счет применения в качестве коммутационной аппаратуры тиристорных или быстродействующих вакуумных выключателей. В [4, 5] также показана эффективность использования для этих целей ТОУ, неполностью разрывающих связи шин подсистем в аварийном режиме, благодаря чему удается достичь компромисса между ростом напряжений и токов КЗ в аварийном режиме.

Таким образом, в СЭ по рис.1 с тремя взаимосвязанными подсистемами удается достичь сверхглубокого ограничения токов КЗ. Однако при наличии ТОУ в первый период существования КЗ до окончания процесса токоограничения наблюдаются повышенные уровни ударных токов КЗ из-за подпитки по цепям этих ТОУ. Это свойство, присущее всем типам СЭ с междушинными ТОУ, должно компенсироваться применением токоограничителей с улучшенными токоограничивающими характеристиками, например, на базе бесконтактной техники или быстродействующих предохранителей.

Приведем конкретные варианты реализации рассмотренной идеи построения системы распределения электрической энергии. Для этого необходимо иметь три примерно одинаковой мощности трехфазных источника, причем желательно, чтобы они представляли собой единый блок, поскольку при этом легче решаются вопросы обеспечения надежности и качества электроснабжения.

В СЭ с изолированной нейтралью, показанной на рис.3, реализован данный принцип построения путем специального подключения трех трансформаторов к трем секциям сборных шин. Здесь может быть использован и один понижающий четырехобмоточный трансформатор с тремя расщепленными обмотками НН. Возможный вариант конструкции данного трансформатора, обеспечивающего равенство взаимных индуктивных сопротивлений между обмотками НН и ВН, приведен в [4].

Система

Рис.3. Схема СЭ со специальным подключением трансформаторов к секциям сборных шин

Обмотки НН трансформаторов могут быть соединены как в треугольник, так и в звезду, а ТОУ подключены непосредственно между секциями сборных шин, либо, как показано на рис.3, до выключателей в цепи питания секций. Последнее предпочтительнее, поскольку позволяет при отключении одной из секций сохранить параллельную работу оставшихся электроприемников. В качестве ТОУ на три присоединения может быть, например, использовано реакторно-тиристорное устройство.

Нагрузки в рассматриваемой СЭ могут подключаться, как обычно, к секциям сборных шин с возможно более точным распределением между ними с целью снижения перетока в нормальном режиме через ТОУ. Эти нагрузки на рис.3 обозначены как Н-1. В СЭ с одинаковыми нагрузками секций в использовании ТОУ нет необходимости. Может быть также применен принцип подключения некоторых трехфазных электроприемников (понижающих трансформаторов, двигателей) двумя трехфазными линиями непосредственно на линейное напряжение питающих трансформаторов (нагрузки Н-11). Нетрудно убедиться, что на этих нагрузках в течение всего процесса КЗ на любой из секций шин (точки К! и К2) будет сохраняться практически номинальное напряжение.

Другим направлением реализации рассматриваемой идеи построения СЭ является выполнение пересоединения фазных обмоток трех трансформаторов так, чтобы фазные напряжения на каждом из трех трехфазных внешних выводов для присоединения к распределительным секциям шин создавались различными источниками питания. На рисунке 4 показана возможная схема переключения обмоток трансформатора, соединенных в треугольник. Схему конструктивно удобно выполнять на трансформаторах с тремя расщепленными обмотками НН, поскольку в этом случае все соединения между обмотками можно сделать внутри бака. Система электроснабжения по рис.4 обладает всеми рассмотренными выше характеристиками.

Для фазных обмоток НН трансформаторов, выполненных для соединения в звезду, требуемое их объединение в три трехфазные соединения может быть осуществлено путем образования трех нейтралей из обмоток, принадлежащих различным трансформаторам или различным трехфазным расщепленным обмоткам четырехобмоточного трансформатора (рис.5). Включение ТОУ на выводах источника питания здесь позволяет, с одной стороны, обеспечить равномерную загрузку всех обмоток трансформаторов в нормальном режиме и, с другой стороны, повышенную мощность системы за счет параллельной работы трансформаторов. Характеристики схем (рисунки 4 и 5) в нормальном и аварийном режимах при одинаковой мощности понижающих трансформаторов идентичны.

Система

Рис. 4. Схема реализации СЭ с тремя трехфазными подсистемами 56

Рис. 5. Вариант реализации соединения обмоток трансформаторов в звезду

Снижения затрат на ТОУ можно достичь при их установке со стороны нейтралей обмоток (см. ТОУ-Н на рис.5). В нормальном режиме нейтрали соединяются и образуется СЭ с раздельной работой трех секций сборных шин. Поэтому при большом значении коэффициента расщепления обмоток трансформатора (индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора сосредоточено в обмотках низкого напряжения) в схеме с ТОУ-Н, по сравнению со случаем применения ТОУ на выводах, мощность КЗ на распределительных шинах снижается в пределе в 3 раза (увеличиваются колебания и отклонения напряжения при переменных графиках нагрузки). При равенстве нагрузок секций переток через ТОУ-Н отсутствует. При неравенстве нагрузок ТОУ-Н обеспечивает выравнивание токов в соответствующих обмотках. Номинальный ток, на который следует рассчитывать такое ТОУ, не превышает номинального тока одной секции.

Если применяется ТОУ-Н, обеспечивающее при КЗ в распределительной сети разрыв нейтралей источников питания (например, типа РТУ), то ЭДС в цепи КЗ увеличивается в ^3 раз, но одновременно в цепь последовательно включаются нагрузки неаварийных секций - имеем рассматривавшийся режим глубокого ограничения аварийных токов и повышения напряжения на неаварийных нагрузках. Поэтому желательно применять ТОУ-Н, неполностью разрывающие нейтрали обмоток, и сокращать длительность аварии за счет быстродействующего отключения аварийной секции [6].

Схема СЭ в соответствии с рис.5 может быть осуществлена и для четырехпроводной сети 0.38 (0.66) кВ. Подключение нейтрального провода к РТУ-Н показано пунктиром.

Схемы на рисунках 3-5 иллюстрируют новый принцип построения СЭ промышленных предприятий, когда из-за неизбежной неравномерности распределения нагрузок по секциям необходимо применять ТОУ. Резкого упрощения и удешевления СЭ можно достичь в тех случаях, когда обеспечивается принципиально одинаковая загрузка трех источников питания без использования ТОУ. Это возможно, например, при построении схемы выдачи мощности от генераторов электрических станций через повышающие трансформаторы. На рисунке 6 изображена схема блока «генератор - трансформатор», содержащая генератор с тремя синфазными статорными обмотками, каждая из которых порознь соединена в звезду и подключена к трем одинаковым трансформаторам (одному трансформатору с тремя расщепленными обмотками НН), работающим на общие шины ВН.

Обмотки НН трансформатора соединены в соответствии со схемой на рис.4. В результате такого построения схемы блока достигается многократное уменьшение уровней токов КЗ на генераторном напряжении, которые при традиционном выполнении блока приводят к появлению предельно опасных аварийных токов в обмотках как трансформатора, так и генератора. Действительно, при КЗ в точке К! подпитка тока со стороны энергосистемы через трансформатор практически отсутствует, резко уменьшаются также токи КЗ генератора. Ликвидация такой аварии требует, как и обычно, отключения всего блока и гашения поля генератора.

Осуществление схем блоков в соответствии с рис.6 вполне реально, поскольку современные мощные генераторы выполняются с несколькими параллельными обмотками на статоре, в частности, и с числом, кратным трем.

Качественно новые свойства появляются в схеме блока, приведенной на рис.7. Соединение обмоток генератора и трансформатора выполнено так, что образованы три гальванически несвязанные трехфазные подсистемы.

Например, одну из таких подсистем образуют соединенные в треугольник фазы аь в2, и с3 обмоток трансформатора и соединенные в звезду фазы аь в2, и с3 обмоток генератора.

Рис.6. Схема блока «генератор - трансформатор» со специальным соединением обмоток трансформатора

Рис. 7. Схема блока «генератор - трансформатор» со специальным соединением обмоток генератора и трансформатора

В нормальном режиме здесь также наблюдается одинаковая загрузка фазных обмоток трансформатора и генератора, присущая обычной схеме соединения обмоток генератора в звезду и обмоток НН трансформатора в треугольник. Выполненная перестановка обмоток на генераторе и трансформаторе позволяет в данном случае исключить появление токов КЗ на генераторном напряжении. При трехфазном КЗ, например в точках Кь К2 и К3, возникает лишь режим с однофазным замыканием в каждой из изолированных друг от друга подсистем. Наблюдающееся при таких КЗ повышение в ^3 раз потенциала на неаварийных обмотках генератора и трансформатора не опасно.

Представляется, что приведенные в настоящей статье примеры построения СЭ не исчерпывают всего возможного многообразия применений предложенной идеи глубокого ограничения токов КЗ. Она может быть использована в сложных схемах мощных преобразователей, двигателей, электроприводе и других объектах.

Литература

1. А. с. 920956 СССР, МКИ3 Н 02 j 3/00. Устройство для распределения электрической энергии переменным током / Л.А.Кучумов, А.И.Баташов (СССР). № 2913596/24-07; заявл. 21.04.80; опубл. 15.04.82, Бюл. № 14. 8 с.

2. А. с. 963124 СССР, МКИ3 Н 02 j 3/00. Устройство для электроснабжения / Л.А.Кучумов, А.И.Баташов (СССР). № 2951023/24-07, 2947373/24-07, 2951030/24-07; заявл. 30.06.80; опубл. 30.09.82, Бюл. № 36. 16 с.

3. Неклепаев Б.Н. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электрических системах. М.: Энергия, 1978. 152 с.

4. Баташов А.И. Исследование и разработка систем электроснабжения с глубоким ограничением токов короткого замыкания: автореф. канд. дис. Л., 1981. 16 с.

5. Кучумов Л.А., Баташов А.И. О возможности глубокого ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения с тремя источниками питания / Ленингр. полит. ин-т, 1981. 14 с. Библиогр. 7 назв. Деп. в Информэнерго 29.06.81, N° 914.

6. Кучумов Л.А., Баташов А.И. Эффективный способ ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения с токоограничивающими устройствами в нейтралях источников питания / Иркутский гос. ун-т, Вост.-Сиб. технол. ин-т. Иркутск; Улан-Удэ, 1984. 30 с. Библиогр. 6 назв. Деп. в Информэнерго 17.12.84, № 1673.

Сведения об авторах

Веселов Анатолий Евгеньевич,

доцент кафедры «Электроэнергетики и электротехники» КФ ПетрГУ, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Энергетическая, д. 19

Ярошевич Вера Васильевна,

младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru

Токарева Евгения Александровна,

младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А

Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net. т

УДК 621.311

В.Н.Селиванов, М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, В.В.Колобов, Я.А.Сахаров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТОКОВ В НЕЙТРАЛЯХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ*

Аннотация

Представлены результаты регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях автотрансформаторов энергосистемы Северо-Запада. Анализ осциллограмм токов в нейтралях некоторых типов автотрансформаторов демонстрирует значительное повышение уровня гармоник при протекании по обмоткам квазипостоянных токов.

Ключевые слова:

магнитные бури, геоиндуктированные токи, трехфазный автотрансформатор, гармоники тока нейтрали.

Работа выполнена при финансовой поддержке Европейского союза (проект 260330 в рамках программы FP7).