Моделирование электропередачи Алтай - Итатская для исследования режимов трехфазного автоматического повторного включения

Библиографический список

1. Зубков Ю.Д. Асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением. Алма-Ата: Изд-во Академии наук Казахской ССР, 1949. 113 с.

2. Постников И.М. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов. Киев: Наук. думка, 1977. 175 с.

3. Бояр-Созонович С.П., Кузнецов А.А., Гинтул Н.В. Использование цифрового регулятора для стабили-

зации напряжения бесконтактного асинхронного генератора // Электромашиностроение и электрооборудование. 1975. Вып. 20. С. 75-78. 4. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. Киев; Одесса: Лыбидь, 1990. 168 с.

УДК 621.315.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ АЛТАЙ - ИТАТСКАЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ТРЕХФАЗНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ

© Н.В. Сизганов1, Е.Ю. Сизганова2, Р.А. Петухов3, В.В. Шевченко4

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Рассмотрено построение модели воздушной линии ВЛ-1106 Алтай - Итатская, выполненной в габаритах 1150 кВ, для исследования переходных процессов, возникающих при ликвидации коротких замыканий, с помощью трехфазного автоматического повторного включения (ТАПВ). Такие коммутации включения-отключения активно-индуктивного тока могут происходить при работе ТАПВ-линий с перекомпенсацией фазных емкостей. Ключевые слова: апериодическая составляющая тока; воздушная линия (ВЛ); коммутационные перенапряжения; подстанция; трехфазное автоматическое повторное включение (АПВ); шунтирующие реакторы; элега-зовые выключатели.

ALTAY-ITATSKAYA ELECTRICITY TRANSMISSION MODELING TO STUDY THREE-PHASE AUTO-RECLOSE REGIMES

N.V. Sizganov, E.Yu. Sizganova, R.A. Petukhov, V.V. Shevchenko

Siberian Federal University,

79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The paper deals with the modeling of the overhead transmission line of TL-1106 Altay-Itatskaya implemented in the value of 1150 kV intended for the research of transient process that takes place under the liquidation of short-circuits by means of three-phase auto-reclosing (TPAR). Such switching on-off of the active-inductive current can occur in TPAR lines operation with the overcompensation of phase capacitors.

Keywords: aperiodic component of current; (overhead) transmission line (TL); commutation overvoltages; substation; three-phase autoreclosing; shunt reactors; SF6 circuit-breakers.

Введение

Короткие замыкания (КЗ), возникающие на воздушных линиях (ВЛ) 330-750 кВ, после кратковременного отключения ВЛ в большинстве случаев самоустраняются. Эффективным средством повышения

надежности электрических систем является трехфазное автоматическое повторное включение (ТАПВ) линий электропередачи. Для осуществления ТАПВ требуется не только быстродействующая релейная защита, но и надежные выключатели, имею-

1

Сизганов Никита Вячеславович, магистрант, e-mail: vitz1234@gmail.com Sizganov Nikita, Master's Degree student, e-mail: vitz1234@gmail.com

2Сизганова Евгения Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru

Sizganova Evgeniya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: YSizganova@sfu-kras.ru

Петухов Роман Алексеевич, старший преподаватель кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: rom_pet1@mail.ru

Petukhov Roman, Senior Lecturer of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: rom_pet1@mail.ru

4Шевченко Вадим Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов и систем, e-mail: vdmsh@yandex.ru

Shevchenko Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes and Systems, e-mail: nosova@istu.irk.ru

щие малые времена отключения и включения ВЛ.

В настоящее время ОАО «ФСК ЕЭС» проводит на подстанциях (ПС) и ВЛ планомерную замену устаревших воздушных выключателей на элегазовые, которые (на напряжения 500 и 750 кВ) имеют целый ряд преимуществ: более простая конструкция; малое количество движущихся элементов; малый уровень шума; меньшие масса и габариты; высокая отключающая способность на один разрыв; более высокая надежность (40% аварий воздушных выключателей вызваны механическими причинами); отсутствие компрессорных станций высокого давления.

Тем не менее, при определенных условиях установка элегазовых выключателей может приводить к неблагоприятным последствиям. Так, при ликвидации коротких замыканий элегазовыми выключателями в цикле ТАПВ, а также при ложных срабатываниях релейной защиты линий произошли аварии с разрушением дугогаси-тельных камер колонковых элегазовых выключателей [1-3]. Во всех случаях этим разрушениям предшествовали включения ВЛ с высокой степенью (100% и более) компенсации емкости линий шунтирующими реакторами (РШ). Такая высокая степень компенсации емкостной проводимости характерна для линий 750 и 1150 кВ.

По данным [3], на ПС «Алтай» Западно-Сибирского предприятия МЭС Сибири при коротком замыкании фазы «В» ВЛ № 1106 Алтай - Итатская при неуспешном ТАПВ ВЛ (КЗ на фазе «В» не устранилось) произошло разрушение фазы «А» колонкового элегазового выключателя В-1106. Причина разрушения - длительное горение дуги тока фазы «А» линии и разрыв дугога-сительного устройства при возрастании давления после отключения неповрежденной фазы линии при неуспешном АПВ фазы «В».

Для выявления причин аварии элегазового выключателя проведено моделирование и исследование процессов ТАПВ на линии 500 кВ, выполненной в габаритах 1150 кВ, Алтай - Итатская.

Основные электротехнические решения исследуемого объекта

Линия электропередачи ВЛ-1106 Алтай - Итатская является частью электропередачи Сибирь - Казахстан - Урал пропускной способностью 5500 МВт, имеет протяженность 446,2 км и, в качестве заключительного этапа создания межсистемного транзита, была введена в строй в 1998 г. на напряжении 500 кВ, на котором и эксплуатируется до настоящего времени.

Подстанция 1150 кВ «Алтай» введена в эксплуатацию в 1997 г. В настоящее время через нее на напряжении 500 кВ осуществляется транзит мощности между энергосистемами Сибири и Казахстана. Кроме того, ПС «Алтай» осуществляет связь энергосистем Красноярского, Алтайского краев, Новосибирской, Кемеровской областей (рис. 1).

Разработка схемы моделирования и определение параметров электропередачи Алтай - Итатская

Моделирование реализовано в среде Б1ти11пк программного комплекса MATLAB [4]. Для исследования процессов при ТАПВ на ВЛ-1106 на основе принципиальной расчетной схемы (рис. 2) создана имитационная модель (рис. 3).

Погонные электрические параметры исследуемой линии определены на основе геометрических и физических параметров ВЛ-1106. Линия 500 кВ Алтай - Итатская выполнена в габаритах 1150 кВ (рис. 4, 5). Высота опоры 46,2 м. Расстояние между фазами 24,2 м, между молниезащитными тросами - 17,5 м. На линии подвешены провода 8хАС-400/51. Диаметр расщепленной фазы 1200 мм. Длина гирлянды составляет 12,0 м. Линия имеет два расщепленных молниезащитных троса 2хС-70. Стрела провеса тросов 4 м. Удельное сопротивление земли 150 Ом/м.

Параметры провода АС-400/51 [5]: номинальное сечение 400/51 мм2; сечение

о

алюминий/сталь 394/51,1 мм2; диаметр провода 27,5 мм; диаметр стального сердечника 9,2 мм; электрическое сопротивление 1 км провода постоянному току при 20°С не более 0,0733 Ом.

Рис. 1. Схема примыкающих к ВЛ-1106 энергетических объектов

Рис. 2. Расчетная схема исследования режимов ТАПВ

Рис. 3. Расчетная модель ВЛ-1106 Алтай-Итатская

Рис. 4. Расположение проводов ВЛ 1150 кВ на промежуточной опоре ПОГ1150-1

Параметры молниезащитного троса С-70: сечение 76,4 мм2; диаметр 11,5 мм; электрическое сопротивление постоянному току ~ 2.4 Ом/км.

Все приведенные выше характеристики линии ВЛ-1106 заданы в Pow-ег_1/перагат (рис. 6) программы МДИДБ, и по ним рассчитаны результирующие удельные электрические параметры для схем прямой и нулевой последовательностей (таблица), которые приняты для моделирования.

В качестве параметров моделирования нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) ЕХЫМ Р-396-СИ-550 (рис. 7) рассчитаны коэффициенты а/ и К, на основе вольт-амперной характеристики (ВАХ), имеющейся в паспортных данных ОПН, по следующим формулам:

Units:

metric

50

Frequency [Hz): Ground resistivity [ohrn.m): Comments:

150

Line Geometry

Number of phase conductors [bundles): Number of ground wires (bundles):

Conductor [bundle) Phase number X (m) Y tow er (m) Y min [m) Conductor [bundle) type

P1 1 -24.2 31.2 17.5 1

p2 2 0 31.2 17.5 1

p3 3 24.2 31.2 17.5 1

gi 0 -17.5 49.2 45.2 1

g2 0 17.5 4Э.2 45.2 1

Conductor and Bundle Characteristics

Number of conductor types

Conductor internal inductance evaluated from

or bundle types:

T/D ratio

J Include conductor skin effect

Conductor Conductor Conductor Conductor Conductor DC Conductor Number of Bundle Angle of [bundle) outside diameter T/D GMR resistance relative conductors diameter conductor 1

type [cm) ratio err [Ohmflcm) permeability per bundle [cm) [degrees)

2.75 0.5 1.07288 0.0733 1 8 120 22

1.15 0.5 0.447811 2.4 1 2 0 0

Рис. 6. Геометрические параметры ВЛ в окне Powerjineparam

Удельные параметры линии, полученные с помощью

Тип провода R1, Ом/км R0, Ом/км L1, мГн/км L0, мГн/км C1, нФ/км C0, нФ/км

8хАС-400/51 0,009474 0,035636 0,8242 1,6815 14,374 10,931

°ower_iineparam

Cimrent Measurement

Vertag е Measurement!

О

Scope

ЕЭ

XY Graph

Block Parameters: Surge Arrester

Surge Arrester (mask) (link) Implements a metal-oxide surge arrester.

Parameters

Protection voltage VreffV):

/

J

--J

Number of columns:

Reference current per column Iref[A):

773e+03

500

Segment 1 characteristics [ kl alpha 1 ]:

[1.025 20.189]

Segment 2 characteristics [ k2 alpha2 ]:

[1.01 23.071]

Segment 3 characteristics [ k3 alpha3 ]:

[.994 21.326]

Рис. 7. Моделирование ОПН EXLIM P-396-GH-550

где // - ток /-й точки ВАХ моделируемого ОПН; /баз - базисный ток моделируемого ОПН; и/ - напряжение /-й точки ВАХ моделируемого ОПН; ибаз - базисное напряжение моделируемого ОПН.

Вольт-амперная характеристика (рис. 8) моделируемого ОПН совпадает с экспериментальной кривой, что говорит об адекватности модели.

Эквивалентные индуктивные сопротивления систем и шунтирующих реакторов 1150 кВ (3 х 300 МВар), примыкающих

к ВЛ-1106, получены на основе данных КП МЭС Сибири. Для моделирования приняты следующие эквивалентные индуктивности по прямой и нулевой последовательности: индуктивности ПС «Алтай»

Ь1А = 0,085 Гн, Ь0А = 0,089 Гн; ин-

дуктивности

Ь1И = 0,0532 Гн,

эквивалентные

ПС «Итатская»

Ьои = 0,0533 Гн ;

сопротивления

РШ

Ьр = 5,1 Гн, Яр = 5,3 Ом.

Апериодическая составляющая при включении цепи

Предварительно рассмотрены процессы, происходящие в простейшей цепи, содержащей только индуктивность и активное сопротивление, при включении ее на синусоидальную ЭДС (рис. 8), поскольку высокая (100% и более) степень компенсации емкости линии РШ может приводить к

Three-Phase

JlôJb—а в—ПЛПГ1- ь

С-ГЩТ- с

Three-Phase

ProgrammableMutual Inductance

Voltage Sourcel Z1-Z2

Scope2

Voltage Measurement:

i = i + i ,

уст a '

тому, что линейный выключатель будет коммутировать не емкостный ток, а индуктивный.

Как известно, полный ток после включения цепи имеет две составляющие переходного процесса:

где /уст - вынужденная составляющая тока; /а - апериодическая составляющая тока.

Если включение происходит в момент £вкл, когда имеет максимальное значение (рис. 9, а), то этому моменту соответствует г = 0 и апериодическая составляющая не возникает.

При этом ток определяется по формуле

i = iycT = L xsin^ =

Um Z

sinœt,

где 2 - полное сопротивление цепи.

Если включение происходит в момент прохождения и(1) через нулевое значение, то этому моменту соответствует г = - /т (рис. 9, б), а поскольку полный

ток в цепи с индуктивностью мгновенно измениться не может, появляется апериодическая составляющая тока, компенсирующая в этот момент (? = ¿вкл) свободную

составляющую тока. При этом начальное значение апериодической составляющей

la, lb, le -

Multimeter!

Scope1

Voltage Measurement2

Voltage Measurements

Рис. 8. Модель включения РШ на синусоидальную ЭДС

тока включения будет равно /а (0) = - 1т.

Тогда полный ток включения будет иметь и апериодическую составляющую, которая в индуктивно-активной цепи изменяется по экспоненциальному закону:

I a(t) = /а(0) •

где Т=- постоянная времени затухания апериодической составляющей.

Процесс изменения полного тока включения R-L цепи с затуханием апериодической составляющей показан на рисунке 9, в.

Таким образом, максимальная апериодическая составляющая тока при включении активно-индуктивной нагрузки соответствует моменту прохождения синусоидального напряжения источника через нулевое значение.

При сближении контактов воздушного выключателя в процессе включения рассматриваемой цепи из-за низкой электри-

ческой прочности воздуха пробой межконтактного промежутка, как правило, происходит в момент максимальной разности потенциалов на контактах выключателя. В этом случае, как показано ранее, апериодическая составляющая не возникает. Из-за высокой прочности элегаза межконтактный промежуток может не пробиваться вплоть до момента соприкосновения контактов. Этому случаю соответствует максимальная апериодическая составляющая в токе включения активно-индуктивной цепи.

Если предположить, что после включения выключателя с появлением апериодической составляющей тока происходит его отключение, то ток дуги может некоторое время не проходить через нулевое значение. В этом случае произойдет затягивание по времени процесса горения дуги, что может закончиться повреждением выключателя.

t

а

б

а

в

Рис. 9. Осциллограммы тока включения и напряжения на РШ для различных моментов замыкания контактов выключателя: а - включение в момент максимума напряжения источника; б - включение в момент прохождения напряжения источника через нуль; в - затухание полного тока с максимальной апериодической составляющей

Выводы

1. Элегазовые выключатели при включении активно-индуктивной нагрузки в момент прохождения синусоидального напряжения источника через нуль могут создавать в токе включения значительную апериодическую составляющую.

2. В случае отключения тока с апериодической составляющей, вызванной

Библиогра

1. Базавлук А.А., Кадомская К.П., Лавров Ю.А. Об эксплуатации подстанций и линий электропередачи высокого напряжения с шунтирующими реакторами // Электро. 2009. № 6. С. 36-40.

2. Евдокунин Г.А. Высоковольтные ВЛ. Коммутации и воздействия на выключатели // Новости электротехники. 2008. № 3. С. 64-69.

3. Епифанов А.М. Результаты расследования и анализ технологических нарушений с повреждением элегазовых выключателей на подстанциях ОАО «ФСК ЕЭС»: сб. тезисов и докладов третьего все-

включением, может происходить затягивание времени горения дуги в выключателе из-за длительного непрохождения тока отключения через нулевое значение.

3. Такие коммутации включения-отключения активно-индуктивного тока могут происходить при работе ТАПВ-линий с перекомпенсацией фазных емкостей.

Статья поступила 29.01.2016 г.

ий список

российского совещания главных инженеров-энергетиков. М.: Всероссийский выставочный центр, 2013. С. 26-27.

4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SymPowerSystem и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.

5. ГОСТ 839-80 Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия [Электронный ресурс]. URL: http://vsegost.com/Catalog/22/22928.shtml (21.10.2015).