Режимы аварийной несимметрии систем электроснабжения


А. В. Малафеев, Е. А. Панова











РЕЖИМЫ АВАРИЙНОЙ НЕСИММЕТРИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.311
ББК 31.277
        М18


Рецензент:
начальник цеха электрических сетей и подстанций ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» кандидат технических наук Николаев Николай Александрович


       Малафеев, А. В.
М18        Режимы аварийной несимметрии систем электроснабже-
       ния : монография / А. В. Малафеев, Е. А. Панова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 148 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1055-7

       Рассмотрены основные результаты исследований в области расчета и анализа несимметричных режимов систем электроснабжения на уровне напряжения 110 кВ и выше, вызванных короткими замыканиями, обрывами проводов воздушных линий и ошиновки. Осуществлена адаптация математических моделей основных электроприемников промышленного предприятия в условиях металлургического производства - нерегулируемых асинхронных и синхронных двигателей, электропривода постоянного тока, регулируемого электропривода переменного тока на основе непосредственных и двухзвенных преобразователей частоты, а также дуговых сталеплавильных печей - к условиям несимметричных аварийных режимов. Разработан алгоритм расчета сверхпереходных параметров сложнонесимметричных аварийных режимов, неполнофазных режимов и режимов несимметричных коротких замыканий, предназначенный для проверки по чувствительности устройств релейной защиты.
       Для специалистов в области электроснабжения. Может быть полезно студентам направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.311
                                                   ББК 31.277



ISBN 978-5-9729-1055-7

   © Малафеев А. В., Панова Е. А., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...............................................5
1. СОСТОЯНИЕ ДЕЛ В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ...................7
  1.1. Обзор публикаций, посвященных моделированию несимметричных режимов работы электрических сетей и их потребителей.........................................7
  1.2. Характеристика программных комплексов расчета аварийных несимметричных режимов...............................13
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В РАСЧЕТЕ
НЕСИММЕТРИЧНОГО РЕЖИМА.................................23
  2.1. Схемы замещения элементов промышленных электрических сетей................................................23
  2.2. Математическое моделирование электроприемников
  промышленного предприятия в условиях аварийной несимметрии ....28
    2.2.1. Нерегулируемый электропривод переменного тока.28
    2.2.2. Электропривод постоянного тока................32
    2.2.3. Электропривод на базе непосредственного преобразователя частоты..............................................35
    2.2.4. Электропривод на базе двухзвенного преобразователя частоты..............................................39
    2.2.5. Дуговые сталеплавильные печи..................44
3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СВЕРХПЕРЕХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ АВАРИЙНОЙ НЕСИММЕТРИИ............................46
  3.1. Общая характеристика задачи.......................46
  3.2. Расчет установившегося режима.....................47
  3.3. Расчет неполнофазного режима......................50
  3.4. Режим несимметричного короткого замыкания.........59
  3.5. Сложнонесимметричные режимы.......................62
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ НАГРУЗКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ В УСЛОВИЯХ
НЕСИММЕТРИИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ.......................68
5. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ АВАРИЙНОЙ НЕСИММЕТРИИ
В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭНЕРГОУЗЛА......................78
  5.1. Характеристика объекта исследования...............78
  5.2. Описание пользовательского интерфейса разработанного программного продукта..................................81

3

  5.3. Оценка загрузки электрооборудования в неполнофазных режимах...............................................84
  5.4. Анализ уровней токов короткого замыкания в сети 35-220 кВ ....97
     5.4.1. Существующая конфигурация и режим заземления нейтралей в сети 110 кВ ЭУ.........................98
     5.4.2. Существующая конфигурация схемы, полное разземление нейтралей сети 110 кВ ЭУ...........................99
     5.4.3. Существующая конфигурация схемы, полное заземление нейтралей сети 110 кВ ЭУ..........................100
     5.4.4. Кольцевая схема, существующий режим заземления нейтралей в сети 110 кВ ЭУ........................100
     5.4.5. Кольцевая схема, полное разземление нейтралей сети 110 кВ ЭУ..........................................101
     5.4.6. Кольцевая схема, полное заземление нейтралей сети 110 кВ ЭУ..........................................102
  5.5. Расчет токов аварийных сложнонесимметричных режимов сетей 110-220 кВ.....................................112
  5.6. Оценка уровней остаточных напряжений в различных режимах аварийной несимметрии................................112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................140
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................141

4

ВВЕДЕНИЕ


      Эксплуатация и управление режимами систем электроснабжения промышленных предприятий неразрывно связаны с расчетом и анализом аварийных режимов их работы. Как правило, специалисты диспетчерских управлений и электротехнических лабораторий промышленного предприятия ограничиваются рассмотрением режимов симметричных и несимметричных коротких замыканий (КЗ) в качестве аварийных режимов, на основе которых осуществляются проверка оборудования и определение параметров срабатывания устройств релейной защиты (РЗ), а также неполнофазных режимов. Однако, необходимо учитывать, что нередко причинами коротких замыканий являются обрывы проводов линий электропередачи (ВЛ), что приводит к сочетанию продольной и поперечной несимметрии в одной точке сети, т. е. к возникновению сложнонесимметричного режима. Также подобный аварийный режим может возникнуть при неполнофазном отключении КЗ.
      Так как уставки релейной защиты рассчитываются по условиям режима КЗ, то она зачастую оказывается нечувствительной к режимам сложной несимметрии. Отсутствие срабатывания устройств РЗ приводит к длительному существованию сложнонесимметричного режима и, как следствие, к значительному ущербу, связанному с дополнительными потерями мощности и снижением эксплуатационного ресурса электрооборудования. Поскольку возникновение аварийных режимов связано со снижением уровня напряжений в сети, нарушается устойчивая работа генераторов собственных электростанций, что приводит к недоотпуску ими электроэнергии, более дешевой по сравнению с покупаемой у энергоснабжающей организации. Длительное существование аварийного режима и нарушение динамической устойчивости генераторов местных электростанций приводит к снижению режимной надежности системы электроснабжения, которая определяется ее способностью «...при определенных условиях противостоять внезапным возмущениям»¹.
      Длительная неполнофазная работа участков замкнутой сети 110 кВ системы промышленного электроснабжения сопровождается перегрузкой отдельных ее элементов, таких как линии электропередачи и автотрансформаторы, свыше допустимых значений, что приводит

          ¹ Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС России». Электроэнергетика. Термины и определения : СТО 17330282.27.010.001-2008. [Текст] : Принят и введен в действие приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 17.06.2008 № 289. - М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. - 902 с.

5

к снижению их срока службы и увеличению вероятности развития аварии.
      Расчет и анализ аварийных режимов невозможны без использования специализированного программного обеспечения (ПО). Система электроснабжения крупного промышленного предприятия является специфическим объектом, отличающимся наличием собственных электростанций, концентрацией большой нагрузки на сравнительно небольших площадях, наличием сложнозамкнутых и разомкнутых участков с преобладанием последних, нескольких ступеней трансформации и узлов связи с энергосистемой на различных уровнях напряжения. Кроме того, к особенностям такого объекта можно отнести большое число элементов в расчетной схеме и разнородный состав узлов нагрузки. Все эти особенности значительно усложняют задачу моделирования нормальных и аварийных режимов работы систем промышленного электроснабжения.
      Использование ПО, ориентированного на моделирование режимов работы системы электроснабжения промышленного предприятия, позволит выполнить расчеты сверхпереходных режимов и электромеханических переходных процессов в любых несимметричных режимах и осуществить их подробный анализ. Кроме того, расчеты токов сложнонесимметричного режима необходимы для корректировки уставок РЗ с целью обеспечения ее чувствительности к режимам аварийной сложной несимметрии, что позволит своевременно локализовать аварию, предотвратив нарушение нормальной работы системы электроснабжения и перерывы питания потребителей.

6

1.          СОСТОЯНИЕ ДЕЛ В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Обзор публикаций, посвященных моделированию несимметричных режимов работы электрических сетей и их потребителей

     Система электроснабжения (СЭС) современного промышленного предприятия представляет собой сложный объект, характеризующийся сложнозамкнутой структурой сетей 110-220 кВ, наличием собственных электростанций большой мощности и крупных электроприемников, сконцентрированных на сравнительно небольших территориях. Обеспечение устойчивой работы такого объекта находится в ведении электротехнических лабораторий предприятий, занимающихся планированием и анализом режимов работы системы электроснабжения, выбором параметров срабатывания устройств релейной защиты и оценкой динамической устойчивости генераторов собственных электростанций предприятия. Решение подобных задач невозможно без расчета и анализа аварийных режимов системы электроснабжения, среди которых одними из наиболее часто возникающих являются несимметричные КЗ. На сегодняшний день нормативным документом, которым необходимо руководствоваться при расчете режимов КЗ, являются руководящие указания РД 153-34.0-20.527-98 [63].
     КЗ, как симметричные, так и несимметричные, могут сопровождаться обрывами проводов ВЛ, а также неполнофазным отключением выключателей. Такое сочетание аварийных ситуаций приводит к возникновению сложнонесимметричных режимов, которые могут просуществовать длительное, по сравнению с КЗ, время и привести к снижению срока службы электрооборудования, увеличению потерь и нарушению динамической устойчивости генераторов собственных электростанций промышленного предприятия. Продолжительное существование сложнонесимметричных режимов обусловлено более низкими уровнями токов, по сравнению с режимом соответствующего КЗ. Так как параметры срабатывания устройств РЗ выбираются по условиям режима КЗ, то РЗ оказывается нечувствительной к возникновению сложнонесимметричных режимов.
     Расчет сверхпереходных значений параметров несимметричных аварийных режимов в условиях такого объекта, как система электро

7

снабжения промышленного предприятия, необходимо выполнять с использованием специализированного программного обеспечения, позволяющего учесть особенности указанного объекта. Кроме того, учитывая сложность структуры и большое число элементов расчетной схемы, становится очевидным, что выполнение расчетов режимов работы таких сетей вручную невозможно.
      В настоящее время в литературе, посвященной расчетам аварийных несимметричных режимов, наиболее подробно рассмотрены методы симметричных составляющих, фазных координат, комплексных схем замещения, аварийного шунта, наложения, а также теория четырехполюсника.
      Одним из наиболее широко используемых методов расчета параметров несимметричных режимов является метод симметричных составляющих, разработке которого применительно к расчету несимметричных режимов посвящены работы С. Б. Лосева и А. Б. Чернина [35], Ю. А. Куликова [17], В. Н. Винославского [7] и ряда других авторов. Основы данного метода наиболее подробно изложены в работах C. L. Fortesque [69], Н. Н. Щедрина [25]. В работе П. С. Жданова [35] сформулирована возможность представления синхронных машин в схемах замещения симметричных составляющих для расчета сверхпереходного режима несимметричного КЗ.
      Метод расчета несимметричных режимов с использованием комплексных схем замещения основан на методе симметричных составляющих и подразумевает соединение схем прямой, обратной и нулевой последовательности в зависимости от вида повреждения. Разработке данного метода применительно к расчету несимметричных режимов, в частности режимов сложной несимметрии, посвящены работы С. А. Ульянова [24], [23], И. П. Крючкова [14], [15], Н. И. Соколова [57], Г. Т. Адонца [27], А. Б. Чернина [59], Г. Е. Пухова [53], Б. И. Розенберга [54], В. И. Павлова [51]. Так как в комплексных схемах замещения все параметры приведены к расчетной фазе, которая в сложнонесимметричном режиме, скорее всего, не совпадает с поврежденной и не может быть названа особой, то Г. Т. Адонцем [26] предложен оператор, связывающий не только симметричные составляющие токов и напряжений, но и расчетную фазу с поврежденной. В качестве одного из вариантов программной реализации метода комплексных схем замещения для расчета режимов несимметричных КЗ В. А. Мамаевым [46] предложен метод расчета аварийных режимов энергосистем в программной среде Electronics Workbench. Однако, применение данной программы к расчету систем промышленного электроснабжения затруднительно ввиду сложности ввода исходных данных, так как данная программа предна

8

значена, в первую очередь, для схемотехнического моделирования. В. А. Поповым [52] предложена методика определения потерь, обусловленных режимом продольной несимметрии, основанная на расчете неполнофазного режима с использованием комплексных схем замещения. Авторами выполнена серия расчетов, на основании которой сделан вывод о достаточности учета только потерь в схеме замещения прямой последовательности.
      Одним из методов расчета несимметричных режимов систем электроснабжения является сочетание методов симметричных составляющих и теории четырехполюсника, общие положения которой применительно к расчету нормальных и аварийных режимов электроэнергетических систем приведены в [2]. Применение данного метода к расчету аварийных несимметричных режимов разрабатывалось В. А. Саратовым, Г. Г. Костаняном, Н. Н. Щедриным. Ю. С. Беляковым. Согласно данному подходу при расчете режима продольной либо поперечной несимметрии поврежденный участок сети представляется в виде четырехполюсника, уравнения которого зависят от вида повреждения [55], [41], а в случае сложной несимметрии - двумя четырехполюсниками, выводы которых соединяются в зависимости от вида аварийного режима [60]. При эксплуатации электроэнергетических систем и их постоянном расширении приходится выполнять постоянные пересчеты токов короткого замыкания с учетом ввода нового оборудования и, как следствие, изменения расчетной схемы. Так как расчет аварийного режима с использованием метода четырехполюсника является трудоемким, то Г. Г. Костаняном [42] был разработан метод пересчета тока короткого замыкания на основании предыдущих расчетов аварийных режимов.
      Метод аварийного шунта подразумевает расчет любого аварийного режима как трехфазного короткого замыкания, удаленного от реальной точки КЗ на сопротивление, величина которого определяется видом повреждения. В работах С. А. Ульянова [24] и И. П. Крючкова [16] рассмотрено применение данного метода к расчету режимов несимметричных КЗ.
      При расчете несимметричных режимов методом фазных координат все элементы расчетной схемы моделируются в виде трехфазной схемы замещения, что приводит к увеличению узлов в расчетной схеме в три раза по сравнению с однолинейной схемой. Также вариантом метода фазных координат является использование однолинейной схемы с представлением каждой ветви матрицей размерностью 3x3. Применению данного метода к расчету сложнонесимметричных и неполнофазных режимов посвящены работы С. Б. Лосева и А. Б. Чернина

9

[18], В. П. Закарюкина и А. В. Крюкова [12], [38], В. А. Бошняги [28]. Основным достоинством данного метода является возможность учета пофазной несимметрии элементов расчетной схемы, а также взаимного влияния фаз [29]. Однако, при использовании метода фазных координат значительно усложняется составление схемы замещения элементов сети, а также возникает необходимость пересчета фазных координат в симметричные при определении параметров срабатывания некоторых видов устройств релейной защиты, в то время как использование метода симметричных составляющих позволяет получить токи и напряжения последовательностей без выполнения дополнительных пересчетов.
      Работа В. Г. Гольдштейна [32] посвящена применению метода наложения к расчету режимов короткого замыкания. При этом аварийный режим предлагается рассматривать как сумму исходного и искусственных, так называемых парциальных, режимов, в которых в схеме остается действующей только одна ЭДС, а стальные приравниваются нулю.
      Кроме указанных выше распространенных методов расчета аварийных несимметричных режимов существует ряд специфических методов, позволяющих выполнять расчеты режимов продольной, поперечной и сложной несимметрии. Данные методы подробно рассмотрены в работах С. Б. Лосева и А. Б. Чернина [18], [19]. К ним относятся методы несимметричных составляющих, когда несимметричная система раскладывается на составляющие rs 0, предполагающие разные преобразования для токов и напряжений, или на составляющие xy 0, характеризующиеся одинаковыми преобразованиями. Кроме того, существует метод так называемых специальных систем составляющих K1 и K 1,1, предполагающих разложение несимметричной системы векторов токов и напряжений на системы составляющих xyz. При этом в системе K1 обеспечивается связь схем замещения отдельных составляющих в месте замыкания на землю, в связи с чем в [18] рекомендуется применение этого метода в задаче анализа работы дистанционных измерительных органов защит при замыкании на землю. Системы составляющих K 1,1 предполагают несвязанность схем отдельных последовательностей в месте разрыва одной фазы и применяются для расчета неполнофазных режимов.
      Расчетом и анализом несимметричных аварийных режимов занимались не только отечественные, но и зарубежные ученые D. Das, D. P. Kothary, A. C. Powel, N. D. Tleis. В их работах [67], [152], [150], [68] рассмотрен метод расчета режимов аварийной продольной и поперечной несимметрии, основанный на использовании метода симметричных составляющих в сочетании с методом аварийного шунта.
      Расчет токораспределения как в нормальном, так и в аварийном режиме предполагает учет нагрузок. В условиях системы электро

10

снабжения промышленного предприятия целесообразно моделировать наиболее крупные электродвигатели отдельными электроприемниками с учетом их конструктивных особенностей, а также, применительно к синхронному двигателю, типа возбудителя. Разнородные узлы нагрузок, состоящие из электроприемников различного типа соизмеримой мощности, возможно моделировать в виде эквивалентной КН, однако, для определения параметров расчетного эквивалента необходимо проанализировать работу отдельных электроприемников в рассматриваемых режимах. Исследованию поведения синхронных и асинхронных электродвигателей в режимах КЗ посвящены работы Л. С. Линдорфа [45], О. В. Ливанова [44], М. Н. Околович [50], Д. А. Кочкина [43], И. А. Сыромятникова [22] и ряд других. С. И. Гамазиным и С. А. Цы-руком выполнено исследование поведения синхронных и асинхронных электродвигателей в неполнофазных режимах [31], а также в режимах несимметричных КЗ в питающей сети [30].
      В настоящее время на промышленных предприятиях кроме нерегулируемых синхронных и асинхронных электроприводов широкое применение нашли частотно-регулируемые электродвигатели, получающие питание от преобразователей частоты, как с непосредственной связью, так и двухзвенных. Для анализа работы электродвигателя, получающего питание от двухзвенного преобразователя частоты, необходимо вычислить выходное напряжение преобразователя, которое, в свою очередь, будет зависеть от величины напряжения в звене постоянного тока. В работе В. М. Синькова [56] получены выражения для определения напряжения на выходе выпрямителя, выполненного по схеме Ларионова при двухфазном коротком замыкании в питающей сети. Однако, приведенная методика не учитывает влияние угла управления на выпрямленное напряжение. Исследования работы преобразователей частоты различного принципа действия в аварийных режимах выполнялись либо при повреждении элементов самого преобразователя, либо при коротких замыканиях в цепях нагрузки [58].
      В сетях промышленного электроснабжения одними из наиболее крупных электроприемников являются электросталеплавильные печи, которые являются потребителями как активной, так и реактивной мощности. Большинство работ по исследованию несимметричных режимов работы дуговых печей посвящены рассмотрению несимметрии, вызванной колебанием токов дуг и режимами эксплуатационных КЗ. К ним можно отнести работы Б. П. Борисова и Г. Я. Вагина [5], А. П. Михеева [93], Н. А. Маркова [47]. Однако, для определения параметров узла КН, в состав которого входит дуговая печь, необходима разработка математической модели ДСП при несимметрии напряжений в питающей сети.

11

      Кроме расчетного определения параметров узлов КН, существует методика, согласно которой узлы нагрузки задаются сопротивлениями прямой и обратной последовательности, величина которых определяется составом электроприемников, который, в свою очередь, зависит от отрасли промышленности рассматриваемого объекта. Данная методика рассмотрена, например, в работах Б. Н. Неклепаева [16], В. В. Жукова [36]. Возможно также экспериментальное определение параметров узлов нагрузки, но, как правило, такой метод применим при определении параметров КН при малых отклонениях параметров режима [10]. В статье В. В. Жукова и Б. Н. Неклепаева [37] приведена методика экспериментального исследования поведения узлов нагрузки в режимах КЗ, однако, применение такого способа определения параметров КН затруднено ввиду сложности проведения эксперимента в условиях действующего объекта.
      Аварийные режимы, сопровождающиеся обрывами проводов ВЛ, зачастую не ликвидируются действием релейной защиты, либо сопровождаются ее неселективной работой. Такая ситуация может привести к длительному существованию неполнофазного или сложнонесимметричного режима и, как следствие, повышению потерь и снижению срока службы электрооборудования, вызванных искажением симметрии напряжения в сети. В. И. Гуревичем предложена конструкция реле для защиты электрооборудования от несимметрии питающего напряжения [33]. Для предотвращения длительных несимметричных режимов необходимо усовершенствование релейной защиты распределительных сетей с целью повышения ее чувствительности к неполнофазным и сложнонесимметричным режимам. И. Ф. Марудой [48] была предложена релейная защита линий 110-220 кВ при разрывах фаз, основанная на сравнении токов нулевой последовательности в линиях и действующая либо на отключение поврежденного участка, либо на сигнал. Искажение симметрии напряжения в сети может также привести к снижению устойчивости узлов нагрузки, что может быть ликвидировано путем применения защит минимального напряжения с фильтрами напряжения прямой последовательности, причем для обеспечения селективной работы данной защиты и предотвращения излишних срабатываний М. С. Ершовым [34] выполнено исследование области допустимых значений напряжения обратной последовательности, при которых устойчивость узла нагрузки не нарушается. Работа И. В. Нагая [73] посвящена повышению чувствительности релейной защиты трансформаторов в режимах сложной несимметрии.
      Анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день не разработаны алгоритмы расчета сверхпереходных режимов аварийной несимметрии при произвольном сочетании поврежденных


12