На правах рукописи

Попова Мария Вячеславовна

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СИСТЕМ

СЕЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский Государственный аграрный заочный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник, Копылов Сергей Игоревич

Официальные оппоненты: Людин Валерий Борисович, д.т.н., профессор, Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение «Российский государственный аграрный заочный университет», профессор кафедры «Информационные и электротехнические системы и технологии»

Белов Сергей Иванович, к.т.н., доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», доцент кафедры «Электроснабжение и электрические машины»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.

Защита состоится «18» апреля 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д220.056.03 при Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул.

Ю.Фучика, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский Государственный аграрный заочный университет»

Автореферат разослан «15» марта 2012 года

Ученый секретарь диссертационного Совета Д220.056.03, кандидат технических наук, доцент Мохова О.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время все большее внимание уделяется качеству электроэнергии, поставляемой промышленности, транспорту, АПК, торговым заведениям и жилому сектору.

Проблемы с качеством электроэнергии могут возникать на всех четырех уровнях по системе электроснабжения, а именно:

1. Уровень электростанций и магистральных линий электропередачи;

2. Уровень местных линий электропередачи и крупных подстанций;

3. Уровень распределительных подстанций и трансформаторов;

4. Уровень оборудования пользователей, включая вспомогательное оборудование и электропроводку внутри зданий.

Повышение качества электроэнергии особенно актуально для сельских сетей, для которых характерны: большая протяженность, ограниченные подъезды к линии, использование устаревшего оборудования и т.д.

Значительная часть используемого в настоящее время оборудования восприимчива к низкому качеству электроэнергии. При этом возможно не только нарушение работоспособности оборудования, но и его повреждение.

Наиболее частыми и опасными повреждениями являются короткие замыкания (КЗ). Самыми тяжелыми и разрушительными из них являются трехфазные КЗ, т. к. полностью прерывается передача мощности в системе.

электрооборудования, а с другой стороны, устойчивая тенденция увеличения токов КЗ, которые на ряде энергообъектов способны превышать допустимые значения по отключающей способности выключателей, делают тему настоящей работы актуальной и сегодня.

Цель работы. Выбор типа и разработка методики расчета ограничителя тока КЗ, проверка его работоспособности на модели энергосистемы.

Для достижения поставленной цели необходимо подробно исследовать:

тенденции развития современных систем электроснабжения, методики диагностики и мониторинга сетей и электрооборудования, разработать (предложить) надежные ограничители токов КЗ, проверить их работоспособность на апробированной математической модели энергосистемы.

Объект исследования. 1. Сетевое электрооборудование, способы его диагностики и защиты от коротких замыканий.

2.Конструкции трансформаторного типа на различные напряжения и методики их расчетов;

Предметом исследования является методика расчета токоограничивающего устройства (ТУ) и проверка его работоспособности на апробированной модели сети.

Методы исследований. При решении задач диссертации использовались различные методы расчетов линейных и нелинейных дифференциальных уравнений и результаты их решений, элементы теории нелинейных магнитных цепей, методы математической статистики, теория поля и электрических цепей, а также компьютерное моделирование линий передач.

Научная новизна. Предложено ТУ трансформаторного типа, проведено систематическое исследование влияния времени отключения аварийной линии на функционирование системы бесперебойного электроснабжения.

Разработаны алгоритмы, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью, рассчитывать системы бесперебойного электроснабжения различной мощности.

Обоснована эффективность использования токоограничивающих устройств в системах бесперебойного электроснабжения.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработанные методики расчетов и результаты теоретических исследований нашли свое применение в НИР «Разработка технического обоснования по созданию опытного образца токоограничителя на напряжение 110 кВ» и гранте РФФИ 09-08-00682, а «Исследование теплофизических и электрофизических параметров сверхпроводниковых устройств при их совместной работе», а также используются в РГАЗУ при дипломном проектировании.

Достоверность разработанных методик расчетов и полученных результатов диссертации подтверждается проектированием и испытанием образцов ТУ трансформаторного типа.

Апробация работы: Основные материалы диссертации докладывались на Международной конференции «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК», Москва, 2009 г.; на VII Международной конференции «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Москва, 2010г., а также на ежегодных конференциях и заседаниях кафедры «Электрооборудования и автоматики РГАЗУ в 2010-2012 годах.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них две в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 178 страниц машинописного текста, 17 таблиц, 44 рисунка, списка литературы из наименований на 11 страницах и приложения на 3 страницах.

На защиту выносится: 1. Выбор типа и конструкции обмоток токоограничивающих устройств трансформаторного типа на различные напряжения и методики их расчетов.

2. Результаты исследований на модели бесперебойного электроснабжения, достоверность которой подтверждена обоснованными допущениями и сравнением с данными экспериментов при наличии и отсутствии токоограничивающих устройств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, определены ее научная новизна и практическая ценность, дана информация о структуре и объеме работы.

В первой главе представлены концепции развития электрических сетей с повышенной надежностью электроснабжения.

Главная задача, которая ставится при разработке любой концепции высоконадежной электрической сети – обеспечение живучести системы.

Обеспечение живучести системы – возможность противостоять резким изменениям режима (КЗ или непредвиденная потеря части системы).

Потребность в повышении живучести вызывается многими причинами, основные из которых:

- отставание развития сетей от роста потребления электроэнергии;

- старение оборудования в сетях, введенного в основном в 70-80 годы прошлого века;

- рост межсистемных перетоков при активной торговле электроэнергией;

-трудности взаимодействия сетевых операторов, принадлежащих разным субъектам рынка;

- сокращение расходов на обслуживание сетей в рыночных условиях;

- нехватка опытного эксплуатационного и диспетчерского персонала.

Все эти факторы ведут к повышению вероятности нарушений работы энергосистемы при резких изменениях режима, переходящих в каскадные системные аварии.

Для решения проблемы живучести сети должна быть разработана система непрерывного контроля состояния и управления режимом сети. Непрерывный контроль режима сети с выявлением опасных ситуаций требует ввода в систему управления мощных систем связи и обмена информации, распределенных во многих узлах сети измерительных устройств. Высокоразвитая система двухстороннего обмена информацией с потребителем позволит не только измерять, но и регулировать потребление электроэнергии (телеуправление).

Высоконадежные системы, использующие современные средства гибкого управления, мощные накопительные устройства, системы автоматического слежения за появлением критических режимов работы и ослабленных по надежности узлов сети являются целью многих разработок за рубежом и в России, для них используется термин SMART Grid1(«сильные», «интеллектуальные», «умные», «активно - адаптивные», «самовосстанавливающиеся» сети).

Благодаря развитию этих сетей можно добиться удовлетворения требований современных потребителей к очень высокому уровню бесперебойности электроснабжения и качеству электроэнергии.

Во второй главе исследуются средства контроля и диагностик сетей и электрооборудования, получившее бурное развитие в последнее десятилетие.

Для электроэнергетики России, в общем, и для сельских электрических сетей, в частности, внедрение систем мониторинга и диагностики является актуальным, так как более 50% эксплуатируемых силовых трансформаторов и реакторов выработали свой ресурс, и продление их срока службы без риска для эксплуатации практически невозможно.

Выход может быть найден во внедрении современных средств диагностики и методик оценки состояния оборудования. В числе средств и методик, внедренных в последние годы, можно отметить тепловизионный контроль, хроматографический анализ маслонаполненного оборудования, системы мониторинга оборудования с непрерывным контролем параметров и т.д.

По результатам исследования оборудования обычно выявляются и классифицируются дефекты:

- на ранней стадии развития, которые следует держать под контролем и принимать меры по устранению во время проведения планового ремонта;

- развившиеся, по которым должны быть приняты меры при ближайшем выводе оборудования из работы;

- аварийные, требующие немедленного устранения.

Современные технические средства и информационные технологии позволяют осуществлять диагностику оборудования, также путем постоянного контроля и оценки состояния оборудования в режиме реального времени. В работе проводится обзор систем контроля и диагностики, разработанных различными организациями.

В общем виде состав диагностической системы должен быть следующим:

- во-первых, информационная подсистема технического состояния оборудования, содержащая данные об объекте, свод нормативных документов, касающихся SMART Grid – Self Monitoring Analysis and Reporting Technology или технологии анализа и отчета.

критериев предельного состояния оборудования, справочные материалы и результаты текущей диагностики, в том числе в форме, удобной для визуализации текущего контроля и ретроспективы.

- во-вторых, технические средства контроля диагностических параметров в режиме мониторинга (подсистема мониторинга). Это комплекс датчиков, блоков преобразования сигналов и каналов связи. Комплекс должен преобразовать (нормализовать) сигналы датчиков, обеспечить хранение и передачу результатов регистрации, обмена служебными сигналами с верхним уровнем системы диагностики. Подсистема мониторинга должна производить самодиагностику своих технических средств.

- необходима подсистема анализа диагностических параметров контролируемого оборудования и моделей технического состояния основных частей и контролируемого оборудования в целом. Для трансформаторов, например, важными факторами являются: состояние изоляции обмоток и вводов, магнитопровода, регулирование под нагрузкой (РПН), охлаждающих устройств. В результате анализа должны быть определены вид, степень опасности и место нахождения дефекта, и сформировано заключение о техническом состоянии оборудования на основе использования критериев предельного состояния контролируемого оборудования, а также оценки его остаточного ресурса.

- подсистема оценки экономической эффективности реабилитационных работ на контролируемом оборудовании; и специализированные подразделения технического сопровождения системы диагностики.

В зависимости от типа контролируемого оборудования и от его значения в системе электроснабжения может быть применена соответствующая по своим функциональным возможностям система диагностики. Исходя из этого, можно конкретизировать структурную схему системы диагностики и состав ее подсистем и произвести её технико-экономическое обоснование.

Из отечественных систем диагностики и контроля наиболее перспективной представляется система управления мониторинга и диагностики трансформаторного оборудования. Она выполняет:

- измерение и отображение параметров трансформаторов (Т), автотрансформаторов (АТ) и реакторов (Р) в нормальных и аварийных режимах;

- управление системами охлаждения;

- дистанционное управление РПН;

- прогнозирование состояния Т, АТ и Р по аналитическим моделям;

- передачу информации в АСУ ТП подстанции;

- создание архивов за время эксплуатации оборудования.

Внедрение методов диагностики и контроля повышает бесперебойность электроснабжения, уменьшает количество аварийных отключений и проектов электрооборудования. Главное, что дают средства и методы контроля и диагностики, это то, что дефекты электрооборудования могут быть выявлены на ранней стадии развития. Таким образом, по статистике удается сократить до 50 % количество отключений.

Однако, какими надежными ни были системы контроля и диагностики, в электрических системах неизбежно возникают повреждения (в первую очередь КЗ) и ненормальные режимы (отключения без повреждения электрооборудования).

В третьей главе проводится сравнительный анализ различных схем и конструкций токоограничивающих устройств.

В настоящее время возникли объективные предпосылки для перевооружения электроэнергетики России на новой технологической основе путем создания так называемых активно-адаптивных сетей. Устройства для ограничения токов КЗ и сохранения живучести электроэнергетической системы, особо актуальны, так как в связи с высокой плотностью нагрузки значения токов КЗ могут превышать предельные коммутационные способности существующих выключателей.

Сопоставление различных типов токоограничивающих устройств может производиться по стоимости (единовременным капиталовложениям), расчетной стоимости с учетом затрат на транспорт, монтаж и строительную часть электроустановки, а также по приведенным затратам. При этом, для всех сравниваемых устройств должна быть принята одна и та же степень ограничения токов КЗ. Выбор оптимальной степени ограничения производится обычно путем минимизации функции приведенным затрат с учетом технико-экономических параметров не только данного токоограничивающего устройства, но и других элементов электроустановки (выключателей, разъединителей, проводников, трансформаторов тока и т.п.), изменяющих свои технические параметры при разном уровне токов КЗ. При этом должны быть учтены функциональные связи между стоимостью отдельных элементов и параметрами режима цепи.

Учитывая развитие средств и методов контроля и диагностики, выбираем ТУ трансформаторного типа, основным элементом которого является трансформатор последовательного включения.

Рис.1. Выключатель с токоограни- Рис.2. Трансформатор последовательного чивающим индуктивным сопротивлением. включения.

Идеальным решением было бы ограничение тока КЗ в сети без повышения сопротивления системы во время нормальной работы с введением высокого сопротивления в условиях КЗ. В цепях переменного тока ограничение тока может быть достигнуто за счет введения в цепь большого индуктивного сопротивления. На рис.1 показана принципиальная схема цепи с выключателем В, имеющем переменное индуктивное XB(t), вводимое в процессе отключения цепи и промежутком П, необходимым для разрыва остаточного тока цепи, равного IостUн/XB max, если пренебречь собственным сопротивлением при КЗ.

Основным элементом ТУ является трансформатор последовательного включения, во вторичную цепь которого включено то или иное нелинейное сопротивление (рис. 2).

Необходимо отметить, что в качестве нелинейного сопротивления могут быть использованы на конкурентной основе различные быстродействующие коммутационные устройства, имеющие минимальное сопротивление. К ним относятся различные сверхпроводниковые коммутационные устройства, криотроны, плавкие предохранители, ограничители взрывного действия и т.д.

Токоограничение в схеме, показанной на рис.2, осуществляется путем размыкания вторичной обмотки трансформатора. В номинальном режиме работы сопротивление трансформатора близко к сопротивлению трансформатора в режиме КЗ и имеет минимальное значение. При возникновении КЗ в линии ток в первичной обмотке возрастает, что вызывает рост тока во вторичной обмотке и приводит к срабатыванию коммутационного устройства. При этом сопротивление принимает значение сопротивления трансформатора в режиме, близком к режиму холостого хода, за счет чего происходит ограничение тока КЗ в защищаемой цепи.

Особый интерес представляют быстродействующие устройства, способные ограничивать ток КЗ в течение первого полупериода после его возникновения, т.е. способные ограничивать как установившийся, так и ударный ток КЗ (< 5 мс).

Для расчета токоограничивающего устройства использовались традиционные методы расчета трансформаторов, за исключением двух отличий, обусловленных спецификой задачи.

1.Обычно собственные и взаимные индуктивности обмоток, а также создаваемые ими магнитные поля рассчитываются в предположении равномерного распределения тока по сечению обмоток. В рассматриваемом случае такое упрощение не допустимо, так как витки первичной и вторичной обмоток токоограничивающего устройства совмещены в пределах одной катушки. Поэтому расчет вышеуказанных характеристик производится с помощью специальной программы, учитывающей точные координаты каждого витка. Кроме того, поскольку эквивалентная индуктивность токоограничивающего устройства в номинальном режиме определяется разностью близких величин (собственной индуктивностей первичной и вторичной обмоток), точность расчета индуктивностей была повышена до 10-6.

2.Для расчета ударных токов процедура вычислений была дополнена анализом переходных процессов, возникающих в случае КЗ сети.

В номинальном режиме (то есть, в установившемся режиме работы сети до возникновения КЗ) вторичная обмотка токоограничивающего устройства короткозамкнута, и токи в первичной и вторичной обмотках I1 и I определяются системой уравнений:

где, и, - собственные индуктивности и активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, М – взаимная индуктивность этих обмоток, - индуктивность и активное сопротивление нагрузки сети. В общем случае система (1) допускает лишь численное решение. Однако, поскольку для токоограничивающего устройства с точностью 1-2% справедливы равенства = и =, можно преобразовать (1) к виду, удобному для аналитического рассмотрения.

=Из данного уравнения видно, что в номинальном режиме токоограничивающее устройство представляет собой нагрузку с эквивалентной сопротивлением В момент возникновения КЗ номинальный режим работы токоограничивающего устройства сменяется режимом нерегулируемого КЗ.

Этот режим описывается уравнениями (1) или приближенным уравнением (2) соответствующего переходного процесса имеет вид:

Из решения видно, что характер изменения тока в этом режиме существенно зависит от, то есть от момента возникновения КЗ. При решение стремится к стационарному, равному последнему слагаемому (3).

токоограничивающего устройства, начинается режим размыкания цепи вторичной обмотки. Этот режим описывается системой (1) с той лишь разницей, что к левой части уравнения (1) добавляется слагаемое. Здесь – зависимость активного сопротивления выключателя от промежутка времени начала отключения.

По истечении промежутка времени процесс размыкания вторичной обмотки заканчивается и начинается последний режим работы токоограничивающего устройства – режим ограничения тока КЗ. В этом режиме и поэтому процесс. Соответствующее решение определяется из (3), в котором следует положить: вместо задать соответственно время начала режима и ток в этот момент времени. Легко видеть, что указанное решение стремится к стационарному, которое эквивалентно подключению к сети нагрузки с сопротивлением, равным Рис. 3. Изменение тока первичной обмотки I1 в переходном процессе. Ток I1 равен току сети. Параметр кривых – время начала короткого замыкания.t* = t / T, где T = 20 мсек.

Точками на кривых отмечены: время начала КЗ., момент подачи сигнала на размыкание вторичной обмотки, начало фактического отключения вторичной обмотки.

Рис. 4. Изменение тока вторичной обмотки I2 в переходном процессе.

Рис.5. Изменение напряжения на первичной обмотке токоограничителя в переходном процессе. U* = U1/Uн, где Uн = 220кВ. Остальные обозначения - те же, что и на рис.3.

Рис. 6. Изменение напряжения на выключателе вторичной обмотки токоограничителя в переходном процессе. U2* = U2/Uн, где Uн = 220кВ.

В работе были рассчитаны варианты ТУ на напряжение 10,110 и 220 кВ, со стальным магнитопроводом и без, ТУ с обмотками, изготовленными из обычных проводников и сверхпроводников.

Как показали расчеты, при напряжении 10 кВ использование стали может оказаться оправданным, так как дает экономию в расходе провода и в мощности тепловых потерь в 2,5 раза. При этом расход стали оказывается сравнимым с её расходом в трансформаторах того же класса мощности.

Напротив, применение стального магнитопровода в ТУ на 110 кВ и выше не имеет смысла в силу ограниченности индукции насыщения стали. Выбирать марку стали следует лишь по двум параметрам – стоимости и индукции насыщения. Величина, по-видимому, не играет роли, поскольку ее фактическое значение заведомо выше необходимого. Также не существенны потери в стали, поскольку в номинальном режиме магнитная индукция в стальном сердечнике практически равна нулю, а в режиме ограничения тока мало время работы ТУ.

Кривые переходных процессов для ТУ не имеют качественных отличий.

Поэтому можно ограничиться иллюстрацией результатов только для одного из них (даны кривые для ТУ на напряжение 220 кВ, рис.3-6).

Амплитуда переменной составляющей тока сети в режиме ограничения тока (равная ), практически, зависит только от индуктивности первичной обмотки токоограничителя. Причем, колебания тока могут происходить на фоне значительной постоянной составляющей. Наибольшее значение соответствует времени начала КЗ, равном 0. В этом случае с хорошей точностью. Важно, что практически не затухает в течение всего аварийного режима работы (120 мс). Такая ситуация объясняется низким отношением активного сопротивления первичной обмотки реактора к ее индуктивному сопротивлению Увеличить это отношение без изменения схемы включения токоограничителя невозможно, так как это привело бы к резкому увеличению тепловых потерь и падения напряжения на токоограничителе в номинальном режиме. Заметим, что наличие не существенно для теплового режима работы самого токоограничителя из-за кратковременности аварийного режима. Актуальность уменьшения среднего тока следует рассматривать только с точки зрения его влияния на защищаемое оборудование. Максимальные значения токов и напряжений, возникающие в режиме размыкания вторичной обмотки зависят, в первую очередь, от времени возникновения КЗ и от характеристики выключателя (зависимости ).

В целом, анализ переходных процессов показывает, что ТУ рассматриваемой конструкции способны решить задачу защиты электрической сети. К сожалению, цена такого решения высокая материалоемкость изделий и высокие тепловые потери в номинальном режиме. Радикальное улучшение этих параметров при заданной схеме возможно только при условии использования сверхпроводящих материалов.

Использование сверхпроводниковых обмоток в магнитных системах позволило бы повысить плотность тока в них приблизительно в 100 раз при одновременном уменьшении тепловых потерь до нуля в случае постоянного тока, в 10-50 раз – на частоте 50 Гц. Соответствующее резкое улучшение массогабаритных характеристик и экономичности по тепловым потерям при переходе к таким обмоткам очевидно. Пока достижению такого результата препятствуют два обстоятельства.

1. Существенное снижение плотности критического тока при наложении внешнего магнитного поля (приблизительно в 5 раз при увеличении магнитного поля до 2 Тл).

2. Резкое увеличение потерь на перемагничивание во внешнем переменном магнитном поле (в 20-30 раз при увеличении амплитуды колебаний поля от 0, до 0,1 Тл). Уровень этих потерь на переменном токе не создает проблем с точки зрения возможностей охлаждения обмотки, однако серьезно ухудшает экономические показатели, поскольку КПД отвода тепла при температуре жидкого азота составляет лишь 10%.

Эти обстоятельства не являются существенными для токоограничивающего устройства, так как в номинальном режиме магнитные поля его первичной и вторичной обмоток вычитаются. В результате, сверхпроводник работает в условиях, близких к условиям передачи электрического тока в отсутствии внешнего поля. Для этих условий приемлемы те характеристики сверхпроводников, которые уже достигнуты в настоящее время.

токоограничивающего устройства с токонесущим элементом, имеющим параметры современных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения. В качестве прототипа примем сверхпроводник марки SCSвыпускаемый фирмой Super Power (USA). Это полностью стабилизированная медью лента сечением 12х0,095 мм. Коэффициент заполнения ленты медью – 50%. Критическая плотность тока ленты в расчете на ее полное сечение равна Jc=220А/мм2. Потери при частоте 50 Гц в расчете на единицу длины ленты составляют Psp= 0,4 Вт/(кАм). Лента выпускается кусками длиной до 600 м с гарантированной однородностью характеристик по длине – 5%.

Возможны 2 варианта в решении вопроса о необходимом значении критического тока.

1. Обмотка должна оставаться полностью сверхпроводящей только при номинальном режиме работы сети. В этом случае при превышении Iн избыток тока будет вытеснен в медную подложку, что благодаря условию полной стабилизации не нарушит работоспособности токоограничителя. Возникновение дополнительных потерь в меди несущественно, так как режимы превышения Iн предполагаются кратковременными. В таком варианте следует задать (с учетом запаса 2. Обмотка должна оставаться полностью сверхпроводящей вплоть до тока отключения. При этом сценарии с учетом такого же запаса.

Примем второй сценарий как наименее благоприятный, то есть. Кроме того, учтем, что поскольку сечение токонесущего элемента будет выше, чем сечение ленты прототипа, возрастает собственное поле проводника, что, в свою очередь, может снизить критическую плотность тока и увеличить потери. В связи с этим примем ожидаемую критическую плотность тока и величину потерь хуже, чем в ленте Исходя из этих данных, принимаем сечение шины из сверхпроводящего композита равным 2х12 мм=24 мм2. При сохранении зазоров между шинами такими же, как и в обычных (несверхпроводящих) ТУ, получаем, что расстояние между центрами шин первичной и вторичной обмоток сокращается с 10 мм до 7 мм, а расстояние между центрами витков в слое – с 90 мм до мм. Это позволяет увеличить плотность расположения витков в слое больше чем в пять раз при одновременном увеличении плотности обмотки в радиальном направлении. Длина проводника снизилась лишь в 1,4 раза.

Однако, благодаря уменьшению сечения его масса сократилась более, чем в раз. Мощность потерь в номинальном режиме сократилась в 100 раз. При оценке фактических потерь электроэнергии нужно учесть, что КПД отвода тепла при температуре жидкого азота составляет 10 %. Однако и с учетом этого обстоятельства мощность потерь электроэнергии сократилась на порядок.

Результаты анализа условий охлаждения обмотки аналогичны для токоограничивающих устройств с нормальной обмоткой. В номинальном режиме тепловая нагрузка в расчете на площадь поверхности только внешней стороны шины токонесущего элемента равна 0,066 кВт/м2. С точки зрения возможностей охлаждения обмотки такая мощность теплоотдачи ничтожна. В переходном режиме часть тока, превышающая, будет протекать по медной подложке. Нагрев обмотки в этом случае зависит от конструктивных особенностей токонесущего элемента, однако в силу кратковременности режима не должен превышать 5 К.

Глава 4 посвящена влиянию ТУ на систему бесперебойного электроснабжения с синхронной нагрузкой, которая используется при орошаемом земледелии и водоснабжении..

Обеспечение надежности поставок электроэнергии потребителям с соблюдением показателей ее качества – основная цель модернизации энергосистемы, а введение в энергосистему активно-адаптивной сети значительно продвигает работы в достижении этой цели. Общая надежность обеспечивается за счет надежности энергоснабжения, отражающей бесперебойность поставки электроэнергии конечным потребителям и системной надежности, направленной на массовую защиту потребителей от прекращения энергоснабжения и предотвращения выхода электрооборудования из строя.

Далее автор использует математическую модель, разработанную в ОИВТ РАН, д.т.н., профессором Рубинраутом А.М., для совместной работы энергосистемы и сверхпроводящего индуктивного накопителя (СПИН).

Модель была апробирована в Астраханской и Тюменской энергосистемах.

Каждый выключатель в системе снабжён ТУ, все остальные параметры линий, двигателей, трансформаторов, проводов оставлены без изменения.

Схема на рис. 7 воспроизводит типовую картину, при которой энергосистема получает энергию от электростанции большой мощности. Узел синхронной нагрузки получает питание по двум линиям электропередачи.

Рис. 7. Модель энергосистемы: ИБ - инверторный блок, ВБ – выпрямительный блок, ТП– тиристорный преобразователь, Т1,Т2,Т3 – трансформаторы, СД – синхронные двигатели.

Обе линии снабжены ТУ, соответственно в начале и в конце линии. От шин подстанции являются синхронные электродвигатели. СПИН подключается к шинам подстанции через трехобмоточный трансформатор Т3 и обратимый тиристорный преобразователь, который выполняет все функции связи и управления СПИН с линиями переменного тока.

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов. Поэтому благодаря свойству обратимости синхронной машины в рассматриваемой модели используются два синхронных генератора, работающих в двигательном режиме. Они и образуют эквивалентный синхронный двигатель. Кроме того, указанная модель, в случае замены эквивалентного двигателя на эквивалентный генератор позволяет изменять направление передачи энергии, как это и должно быть в активно-адаптивной сети, а также воспроизвести типовую картину обеспечения надежности работы самой энергосистемы с помощью ТУ и СПИН при их совместной работе.

Особенность энергосистемы (рис. 7) заключается в том, что энергия вырабатывается на мощной электростанции и передается по линии электропередачи в узел потребления синхронной нагрузки. При внезапном КЗ происходит отключение поврежденной линии, и синхронная нагрузка может выпасть из синхронизма. Необходимая передача мощности может быть осуществлена строительством дополнительной линии электропередачи, или сооружением специальной электростанции на месте потребления.

токоограничивающего устройства в линии электропередач и подключения СПИН непосредственно на шины подстанции, питающей энергоузел, рис. 7.

Здесь каждый выключатель снабжен ТУ в виде трансформатора последовательного включения, во вторичную обмотку которого включен быстродействующий коммутационный аппарат. Естественно, что в нормальном режиме работы системы импеданс ТУ минимален. В случае (аварии, КЗ) срабатывания коммутационного аппарата индуктивное сопротивление ТУ резко возрастает, за счет чего происходит ограничение тока.

Для того, чтобы при КЗ сохранить устойчивую работу системы (рис. 7), по возможности, в большинстве случаев нужно как можно быстрее отключить аварийный участок. Необходимо отметить, что в качестве быстродействующего коммутационного аппарата могут быть использованы на конкурентной основе различные коммутационные устройства. К ним относятся сверхпроводниковые ограничители тока резистивного типа, криотроны, плавкие предохранители, ограничители взрывного действия и т.д.

Известны быстродействующие коммутационные аппараты, которые срабатывают, если достигаются два определенных значения: мгновенное значение тока и его первая производная. При этом окончательный разрыв цепи обеспечивается за время.

В основу рассматриваемой модели целесообразно положить отработанную методологию рассмотрения переходных процессов в энергосистеме с синхронными генераторами. В этом случае схемы на рис. преобразуют схему замещения, представленную на рис. 8, и если активное сопротивление не учитывается, передаваемая электрическая мощность где – относительный угол ротора, =f(t). Xc – реактивное сопротивление между синхронной машиной и мощной энергосистемой.

Для систем, где каждый выключатель в линии снабжен токоограничивающим индуктивным сопротивлением, не имеет значения место КЗ (начало, середина или конец линии), с точки зрения возможности сохранения динамической устойчивости. При этом суммарное сопротивление цепи где Xa=X`dl+XT2, Xb=Xл/2+XТ1, Xk=Xту, сопротивления отдельных участков на схеме (рис. 8) образовали треугольник. Преобразуя треугольник в звезду, получим схему замещения, согласно которой находим сопротивление X12, и мощность в аварийном режиме (аналогично ситуации, когда КЗ происходит в середине линии).

Введение токоограничивающих сопротивлений устраняет влияние места КЗ на тяжесть аварии как в отношении токов КЗ, так и их воздействия на устойчивость системы. При этом, чем больше отношение XТУ/Xл, тем легче авария с точки зрения влияния ее на устойчивость сиcтемы.

Как показало исследование время срабатывания коммутационного аппарата не должно превышать 50-70 мс, в противном случае обеспечение устойчивого энергоснабжения будет проходить по схемам, которые используют только СПИН (без ТУ).

Результаты проведенного расчетно-теоретического исследования подтверждают высокую эффективность применения совместной работы ТУ и СПИН для повышения динамической устойчивости энергосистемы. На рис. 9 дана сравнительная диаграмма изменения во времени активной и реактивной мощности для двух случаев: СПИН и ТУ+СПИН.

Рис. 9. Диаграмма изменения активной и реактивной мощности в системах: со СПИН На оси абсцисс время: 0,1-5,0 мс – время срабатывания ТУ, 0,02с – время включения СПИН, 0,12с – время срабатывания релейной защиты, 2,0 с – время цикла АПВ.

Позиция (1) на диаграмме соответствует режиму работы энергосистемы после, т.е. реально работает одна линия электропередачи (СПИН еще не включен). В ситуации ТУ+СПИН используется ТУ, позволяющее за 5 мс обеспечить разрыв цепи в схеме ТУ, а затем включение СПИН (не штрихованный участок). При отсутствии ТУ начало включения СПИН следует за моментом срабатывания релейной защиты.

В случае, если время срабатывания ТУ меньше 20-30 мс, то при совместной работе ТУ и СПИН, энергоёмкость накопителя может быть снижена при сохранении динамической устойчивости энергосистемы. Кроме того, обычно перегрузочная способность синхронной машины, определяемая отношением максимального электромагнитного момента к номинальному изменяется в диапазоне 1,4-3, при этом номинальная нагрузка соответствует = Таким образом, если номинальный момент синхронной машины не велик, то устойчивость системы при быстродействующих ТУ может быть сохранена без СПИН.

Вычислительный эксперимент позволяет определить как эффективность использования токоограничителей и накопителя энергии зависит от быстроты реакции измерительных и исполнительных органов в системе защиты, т.е.

определить влияние времени включения накопителя.

В качестве накопителя, используется СПИН с запасенной энергией МДж. Через tз обозначено время задержки после отключения КЗ (рис.9).

Задержка при включении накопителя недопустима и его включение должно быть синхронизировано с отключением поврежденной линии. Для минимизации времени отключения поврежденной линии используются ТУ. Таким образом, время задержки состоит из суммы двух времен: времени включения накопителя ( ) и времени отключения поврежденной линии (рис. 9).

Для времени задержки менее 100 мс отключение аварийной линии происходит при помощи токоограничителей, свыше 100 мс срабатывает релейная защита. Влияние этих факторов на запас устойчивости иллюстрируется на рис. 10.

Коэффициент запаса устойчивости kЗ - это отношение допустимой механической мощности на валу к базисной, которая характеризует пропускную способность линии передач при условии сохранения устойчивой работы синхронной нагрузки (кривые 1 и 3). Увеличение коэффициента запаса устойчивости kЗ/kЗ0, где kЗ0 – коэффициент запаса устойчивости без накопителя (кривые 2 и 4).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Получили развитие и активно внедряются новые методы и средства мониторинга и непрерывного контроля электрооборудования, особенно это касается диагностики трансформаторов. Методы диагностики и мониторинга позволяют выявить дефекты на ранней стадии их развития без выведения оборудования из эксплуатации при относительно небольших затратах времени и средств.

2. Внедрение этих методов повышает бесперебойность энергоснабжения, уменьшает количество аварийных отключений и простоев электрооборудования.

Однако, какими бы надёжными ни были электрические системы, в них неизбежно возникают повреждения (в первую очередь КЗ) и ненормальные режимы (отключения без повреждения электрооборудования).

3. Рассчитаны характеристики токоограничителей на рабочее напряжение 10, 110 и 220 кВ, для нескольких вариантов их конструкций. Даны предложения по улучшению характеристик токоограничителей, и технологичности их изготовления, которые могут быть использованы на этапе непосредственного проектирования.

4. Использование стального магнитопровода в токоограничителях на напряжение 110 кВ и выше, нецелесообразно в связи с недостаточным значением индукции насыщения стали.

5. Варианты, токоограничителей без стального магнитопровода удовлетворяют техническим требованиям, но имеют довольно высокие значения расхода меди и тепловых потерь в номинальном режиме.

Существенное улучшение этих характеристик, при сохранении принципа использования токоограничителя и традиционных материалов его обмоток, получить невозможно.

6. Проведён анализ возможности создания ТУ с обмотками из ВТСП.

Показано, что уже при достигнутых к настоящему времени характеристик для ВТСП второго поколения, потери в ТУ в номинальном режиме могут быть снижены на порядок, а вес обмоток более чем в 20 раз.

7. Совместное использование быстродействующих ТУ и накопителя даёт возможность автоматически решать проблему бесперебойного энергоснабжения синхронной нагрузки в случаях внезапных и случайных отключений линии. Альтернативными более дорогостоящими решениями этой проблемы может быть строительство дополнительной линии электропередачи или сооружение в месте потребления синхронной нагрузки электростанции.

8. Предложенная модель позволяет исследовать переходной процесс в системе и выявить энергетические соотношения между нагрузкой с одной стороны и ТУ и накопителем с другой. Показано, что использование быстродействующих ТУ увеличивает запас устойчивости системы (рис 10).

9. Выполненные исследования показали, что совместная работа ТУ и СПИН в рамках рассматриваемого примера позволяет увеличить мощность синхронной нагрузки (~2 раза).

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК 1.Альтов В.А. Токоограничивающие устройства трансформаторного типа / В.А. Альтов, С.С. Иванов, В.В. Желтов, С.И. Копылов, М.В. Попова // ЭЛЕКТРО: Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность.- 2010.- № 5.- С. 46-55.

2.Попова М.В. К вопросу использования дизельных электростанций и систем с накопителем и токоограничителями / М.В. Попова, Генин В.С. // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2012.- №3.- С. 39-40.

3.Беляева Л.В. Применение ИК-контроля теплового состояния электрооборудования и сооружений / Л.В. Беляева, С.И. Копылов, Я.А.

Королёв, М.В. Попова // Вестник РГАЗУ.-2009.- № 7(12).-С. 144-147.

4.Королёв Я.А. Дистанционный контроль теплового состояния оборудования и сооружений / Я.А. Королёв, С.И. Копылов, М.В. Попова // Матлы Международной научно-практической конф. «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК».- М.: 2009.- С. 52-56.

5.Беляева Л.В. Актуальность применения дистанционного контроля электротехнического и технологического оборудования/Л.В. Беляева, М.В.

Попова // Вестник РГАЗУ.- 2010.- электронная. Версия, рег. номер 0421000045/ 6.Попова М.В. Использование накопителей энергии в активно-адаптивных сетях (SMART Grid) / М.В. Попова // Вестник РГАЗУ.- 2010.- № 8(13).- С. 105-108.

7.Копылов токоограничителя трансформаторного типа/ С.И. Копылов, Е.Ю. Каменева, М.В. Попова // Вестник РГАЗУ.- 2011.- № 11(16).- С. 110-113.

Личный вклад автора. Разработка математической модели системы бесперебойного электроснабжения с токоограничивающими устройствами.

Выполнение всех приведенных расчетов токоограничивающих устройств трансформаторного типа и анализ полученных результатов.