СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТОКА ПОДПИТКИ ДУГИ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF COMPENSATING ARC FEED CURRENT OF SINGLE-PHASE FAULT OF POWER TRANSMISSION LINE

Область техники
Изобретение относится к способам повышения эффективности автоматического повторного включения (ОАПВ) линий электропередачи и может найти применение на линиях сверхвысокого напряжения переменного тока большой протяженности, где по условию режима работы сети для компенсации реактивной мощности необходимо использование линейного шунтирующего реактора.
Уровень техники
Выполнение однофазного ОАПВ на линиях с глухозаземленной нейтралью, к которым относятся линии сверхвысокого напряжения, характеризуется следующей последовательностью событий.
При возникновении однофазного замыкания релейная защита линии определяет поврежденную фазу и формирует команду на размыкание ее выключателей. После отключения провода поврежденной фазы дуга в месте короткого замыкания (КЗ) некоторое время продолжает гореть за счет ее подпитки от проводов двух работающих фаз, электростатически (емкостно) и электромагнитно связанных с отключенным проводом. При этом, например, для большинства ВЛ 500 кВ электростатическая составляющая тока подпитки КЗ превалирует над электромагнитной и для типовой линии 500 кВ, выполненной проводами АС400, длиной 280 км при передаче по ней мощности, равной натуральной, более чем в 5 раз превышает электромагнитную.
С течением времени дуга растягивается, ее сопротивление увеличивается, она гаснет и после деионизационной паузы процесс восстановления электрической прочности воздушного пространства в месте замыкания завершается. Через заданный или адаптивно варьируемый промежуток времени после отключения поврежденной фазы (время цикла ОАПВ) защита выдает команду на замыкание выключателей поврежденной фазы, завершая цикл ОАПВ.
При успешном ОАПВ аварийное замыкание фазы самоустраняется и рабочий режим линии восстанавливается.
Вероятность успешного гашения дуги за заданное время цикла ОАПВ (и, следовательно, успешного ОАПВ) повышается при уменьшении тока подпитки дуги. Поэтому на линиях, снабженных для компенсации реактивной мощности шунтирующими (управляемыми и неуправляемыми) реакторами, их используют в паузе ОАПВ для компенсации тока подпитки дуги короткого замыкания и соответственно ускорения ее погасания.
Такие решения известны, например, из патентов RU 2014699, RU 2017298, RU 2101825, RU 2160951, RU 2320061, RU 2341858 и RU 2351050.
Техническая проблема, не решенная аналогами изобретения, и их общий недостаток состоит в необходимости применения дополнительного силового оборудовании (реакторов и коммутаторов) для выполнения функции компенсации тока подпитки дуги КЗ в паузе ОАПВ. Кроме того, известные решения требует существенного усиления изоляции сетевых обмоток шунтирующего реактора из-за необходимости введения однофазного заземляющего реактора в нейтраль используемого трехфазного шунтирующего реактора.
К управляемым шунтирующим реакторам, которыми для компенсации реактивной мощности снабжаются линии электропередачи, относятся, в частности, управляемые шунтирующие реакторы трансформаторного типа (УШРТ), известные, например, из патентов RU 2065654, RU 2478236, RU 123598. Однако технические решения, обеспечивающие компенсацию токов подпитки дуги КЗ в паузе ОАПВ с использованием установленного на линии УШРТ, в настоящее время неизвестны. Поэтому в качестве прототипа выбран способ компенсации тока подпитки дуги однофазного замыкания в паузе ОАПВ с использованием другого типа управляемого шунтирующего реактора [RU 2341858].
К признакам прототипа, совпадающим с признаками заявляемого способа, следует отнести выявление паузы ОАПВ на линии электропередачи и последующий перевод подключенного к линии шунтирующего реактора в режим компенсации тока подпитки дуги однофазного КЗ.
Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в качестве шунтирующего реактора используют УШРТ, имеющий первичные обмотки, соединенные в звезду с глухозаземленной нейтралью, и соединенные в звезду вторичные обмотки, к свободным выводам которых подключена трехфазная группа двунаправленных тиристорных вентилей, а также действиями, выполняемыми с помощью УШРТ в режиме компенсации тока подпитки дуги однофазного КЗ. Согласно заявляемому способу в указанном режиме замыкают между собой свободные выводы вторичных обмоток УШРТ путем воздействия на соответствующую трехфазную группу двунаправленных тиристорных вентилей.
Применение способа на линиях, которые оснащены УШРТ для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения, позволяет решить вышеуказанную проблему - исключить необходимость в использовании дополнительного силового оборудовании (реакторов и коммутаторов) для выполнения функции компенсации тока подпитки дуги КЗ в паузе ОАПВ. Достигаемый технический результат состоит в сокращении силового оборудования, необходимого для осуществления способа. Кроме того, заявляемый способ не требует усиления изоляции первичных обмоток шунтирующего реактора, соединенных в звезду, поскольку сохраняет глухое заземление нейтрали в режиме компенсации тока подпитки дуги однофазного замыкания, в то время как в прототипе требуется существенное усиление изоляции подключенных к линии сетевых обмоток из-за того, что в этом режиме в нейтраль звезды первичных (сетевых) обмоток вводится однофазный заземляющий реактор.
Изобретение имеет развития, отражающие отличия разработанного способа, относящиеся к частным случаям его осуществления.
Первое развитие состоит в том, что шунтирующий реактор, которым снабжена линия, дополнительно содержит вторичные обмотки, соединенные в треугольник, к выводам которых подключена дополнительная трехфазная группа двунаправленных тиристорных вентилей, при этом в указанном режиме определяют поврежденную фазу линии электропередачи и путем воздействия на дополнительную группу двунаправленных тиристорных вентилей шунтируют две вторичные обмотки указанного треугольника, магнитосвязанные с первичными обмотками неповрежденных фаз линии электропередачи.
Второе развитие изобретения состоит в том, что воздействие на тиристорные вентили начинают при максимуме напряжения на включаемом тиристорном вентиле (т.е. первый в паузе ОАПВ импульс включения подают на каждый тиристорный вентиль вблизи максимума переменного напряжения на нем).
Пример осуществления изобретения с учетом его развитий
На чертеже показана линия электропередачи 1, к фазным проводам которой подключен трехфазный шунтирующий реактор 2, представляющий собой УШРТ. В состав каждой фазы УШРТ 2 входит магнитопровод 3, на котором размещены две первичные обмотки 4, 5 и магнитосвязанные с ними две вторичные обмотки 6, 7. Первичные обмотки 4 и 5 каждой фазы соединены между собой параллельно и подключены к фазовым проводам линии 1 по схеме звезда с глухозаземленной нейтралью. Вторичные обмотки 6 соединены в звезду и подключены свободными выводами к трехфазной группе 8 из двунаправленных тиристорных вентилей. Дополнительные вторичные обмотки 7 соединены в треугольник и подключены к дополнительной трехфазной группе 9 из двунаправленных тиристорных вентилей. Каждая группа 8 и 9 представляет собой три пары встречно-параллельных тиристорных вентилей, соединенные, например, в треугольник.
УШРТ имеет блок управления 10, входы которого подключены к измерительным трансформаторам 11, контролирующим напряжения на фазных проводах линии 1.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
УШРТ 2 подключен к линии 1 первичными обмотками 4 и 5 и под управлением блока 10 первоначально работает в режиме компенсации реактивной мощности для поддержания в заданных пределах напряжения на линии 1. При возникновении однофазного КЗ защита линии отключает поврежденную фазу и выдерживает паузу ОАПВ перед повторным включением, которую выявляет блок 10. Пауза ОАПВ может выявляться блоком 10 самостоятельно по уменьшению ниже заданного порога амплитуды основной гармоники напряжения в отключенной фазе (с сохранением рабочих значений этого параметра в двух других фазах) или определяться по сигналу устройства релейной защиты и автоматики линии 1, снабженному в этом случае каналом связи с блоком 10.
Выявив паузу ОАПВ, блок 10 переводит УШРТ 2 в режим компенсации тока подпитки дуги однофазного КЗ поврежденной фазы. Для этого блок 10 выдает трехфазной группе 8, управляющей соединенными в звезду обмотками 6, команду на включение тиристорных вентилей и последующий перевод их в диодный режим (т.е. режим включения вентиля в начале каждого полупериода прямого напряжения). В результате такого воздействия на все или, по меньшей мере, на два из трех тиристорных вентилей группы 8, свободные выводы обмоток 6 оказываются замкнутыми друг с другом. При этом токи, протекающие в первичных обмотках 4, магнитосвязанных с обмотками 6, обеспечивают компенсацию емкостной составляющей тока подпитки дуги короткого замыкания, возникшего в любом фазном проводе линии 1 (т.е. без необходимости определять фазу, отключенную при ОАПВ).
В том случае, когда линия 1 оснащена УШРТ, на магнитопроводах 3 которого размещены одиночные (нерасщепленные) обмотки 4 и 6 (обмотки 5, 7 и тиристорная группа 9 в таком УШРТ отсутствуют, но при этом требуются дополнительные средства компенсации нежелательных гармоник), для осуществления заявляемого способа достаточно выполнить вышеописанные действия.
Как показано на чертеже, линия 1 может быть оснащена УШРТ 2, на магнитопроводах 3 которого помимо обмоток 6, соединенных в звезду, размещены дополнительные обмотки 7, соединенные в треугольник, и дополнительная трехфазная группа 9 вентилей. Обмотки 7 и группа 9 вентилей используются в основном режиме работы УШРТ 2 (т.е. в режиме компенсации реактивной мощности линии) для улучшения гармонического состава напряжения. В этом случае токи обмоток 7, магнитосвязанных с обмотками 5, оказывают отрицательное влияние на вышеописанную компенсацию (с помощью обмоток 6) токов подпитки дуги однофазного КЗ.
Для того, чтобы избежать этого отрицательного влияния, блок 10 в режиме компенсации токов подпитки дуги КЗ выдает команду на шунтирование обмоток 7, соединенных в треугольник, тиристорами группы 9. При этом во избежание токовой перегрузки тиристоров группы 9 целесообразно шунтировать только те две обмотки 7, которые магнитосвязаны с обмотками 5, подключенными к неповрежденным фазам линии 1.
При произвольно выбранном моменте включения тиристорных вентилей групп 8 и 9 в токе подпитки дуги КЗ может появиться апериодическая составляющая, величина которой зависит от фазового угла включения тиристорных вентилей, ухудшающая условия гашения дуги КЗ. Во избежание этого целесообразно производить включение каждого тиристорного вентиля в момент, близкий к максимуму прямого напряжения на нем, что позволяет минимизировать указанную апериодическую составляющую.
Более подробное описание процесса компенсации тока подпитки дуги КЗ с помощью УШРТ в паузе ОАПВ при осуществлении заявляемого способа приведено в статье [A.M. Матинян, М.В. Пешков, В.Н. Карпов, Н.А. Алексеев // Электрические станции. - 2016. - № 8. - С. 39-45], где на основе результатов компьютерного моделирования в частности показано, что для линий 500 кВ среднестатистической длины 280 км использование предлагаемого способа обеспечивает с вероятностью 95% уменьшение тока подпитки дуги в цикле ОАПВ с 50 А до 15 А и, как следствие, позволяет сократить расчетное временя цикла ОАПВ с 1,11 до 0,46 с.