Автореферат (Разработка способов координации уровней токов коротких замыканий в электроэнергетической системе Кыргызстана)

На правах рукописиНасыр уулу КанатРАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КООРДИНАЦИИ УРОВНЕЙ ТОКОВКОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕКЫРГЫЗСТАНАСпециальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетическиесистемыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20182  Работа выполнена на кафедре «Электрические станции» Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».Научный руководитель:Гусев Юрий Павловичкандидаттехническихнаук,зав. кафедрой«ЭлектрическиеФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»доцент,станции»Официальные оппоненты: Савельев Виталий Андреевичдоктор технических наук, профессор кафедры«Электрические станции, подстанции идиагностикаэлектрооборудования»ФГБОУ ВО «Ивановский государственныйэнергетическийуниверситетимениВ.

И. Ленина»Иванов Сергей Владимировичкандидат технических наук, заместительтехнического директора ООО «Релематика»Ведущая организация:АО "НТЦ ЕЭС (Московское отделение)"Защита диссертации состоится «20» апреля 2018 г. в 15 часов 00 минут назаседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ  ВО «НИУ«МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, д. 14, в ауд. Г200.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан _____ февраль 2018 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.03 к.т.н.Дичина О.В.3  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Снижение энергопотребления всельских регионах Кыргызской Республики (КР) и рост энергопотребления вкрупных городах вследствие перераспределения мест производства ипотребления продукции после распада СССР вызвали острый дефицитмощности на севере страны.

Указанные причины привели к реконструкцииэнергетического сектора КР: вводу новых электростанций (ЭС)преимущественно на юге и строительству новых подстанций (ПС) на северестраны.Рост единичных мощностей генераторов на ЭС, увеличение мощностиПС, изменение структуры электрических сетей различного номинальногонапряжения и как следствие рост токов коротких замыканий (КЗ), приводят кнеобходимости согласования или координации параметров выключателей,силовых трансформаторов (автотрансформаторов) с текущими и ожидаемыми вперспективе уровнями токов КЗ. Данная проблема имеет системный характер,предполагающий учет не только требований к параметрам выключателей, но иучет изменения уровней напряжений и потерь электроэнергии вэлектроэнергетической системе (ЭЭС), перспектив изменения уровняожидаемых значений токов КЗ.В энергокомпаниях России и Кыргызстана для расчета токов КЗиспользуют компьютерные программы АРМ СРЗА и ТКЗ–3000, необеспечивающие требуемую точность расчетов.

Эти программы используютсядля выполнения расчетов токов КЗ, соответствующим двум сезоннымсостояниям, максимальному и минимальному режимам нагрузок, и непозволяют более точно и быстро отслеживать изменения коммутационногосостояния ЭЭС. Принципиальное отличие АРМ СРЗА и ТКЗ-3000 от болеесовременных компьютерных программ заключается в том, что при выполнениирасчетов используется не расчетная схема ЭЭС, а схема замещения, котораяготовится с участием расчетчиков. То есть расчетчику необходимопредварительно сформировать схему замещения прямой, обратной и нулевойпоследовательностей, задать параметры всех ее элементов, ввести данные вматематическую модель, и только затем выполнять расчеты токов КЗ.Соответственно при такой последовательности действий, расчеты сложных игромоздких схем ЭЭС с числом элементов, исчисляемыми сотнями и тысячамиединиц, являются весьма трудоемкими и увеличивают вероятность совершенияошибок.

В этой связи актуальной является проблема уточненных расчетовтоков КЗ, разработка расчетной модели КЗ для условий ЭЭС КР сиспользованием современных компьютерных программ, которые позволяютавтоматизировать расчеты и избавиться от вышеописанных недостатков.Необходимость исследования влияния апериодической составляющейтока КЗ на отключающую способность выключателя обусловленаиспользованием быстродействующих элегазовых и вакуумных выключателей.Использование элегазовых выключателей (ЭВ) и увеличение единичных4  мощностей генераторов ЭС привели к обострению проблемы обеспечениясоответствия отключающей способности ЭВ по содержанию апериодическойсоставляющей в отключаемом токе КЗ.

ЭВ могут не справиться не только сотключением токов аварийных режимов с повышенным содержаниемапериодической составляющей, но и отключением токов нормальных режимов.Так в последние годы в электрических сетях России и Казахстана(ОАО «ФСК ЕЭС» и АО «KEGOC») зафиксирован ряд серьёзных аварийныхразрушений ЭВ на ПС 500-750 кВ при инициализации отключения этих ЭВ.Степень разработанности.

В настоящее время исследования проблемкоординации уровней токов КЗ интенсивно проводятся как в России(Московский Энергетический Институт – НИУ «МЭИ», АО «НТЦ» {г. СанктПетербург}, Санкт-Петербургский политехнический университет – НИУ«СППУ» и др.), так и за рубежом (США, Великобритания, Германия, Япония идр.). Следует отметить работы советских и российских авторов(И. А. Сыромятников,В. В. Ершевич,Б. Н. Неклепаев,И. П. Крючков,В. В. Жуков, А. В. Шунтов, Г.

А. Евдокунин, К. П. Кадомская, В. И. Нагай,В. А. Савельев, Д. Р. Любарский и др.), а также зарубежных авторов(W. Kalkner, R. L. Sullivan, A. M. Cassie и др.).В настоящее время расчеты токов КЗ в действующей ЭЭС КР ведутся вслужбе Релейной Защиты (РЗ) сетевой компании, однако проблемамуточненных расчетов, координации и согласования параметров установленныхвыключателей с текущими и ожидаемыми в среднесрочной перспективеуровнями токов КЗ уделяется недостаточное внимание.Объектом исследования является ЭЭС Кыргызстана, представленная18 ЭС с установленной мощностью 3785 МВт, 194 ПС 110-500 кВ, воздушнымилинями (ВЛ) 110-500 кВ протяженностью 7492 км.Предметом исследования являются способы координации уровней токовКЗ, обеспечивающие соответствие отключающей способности выключателейпо периодической и апериодической составляющим тока КЗ.Цель работы заключается в оценке соответствия отключающейспособности выключателей ЭЭС Кыргызстана токам КЗ и проверкедостаточности малозатратных способов координации уровней токов КЗ,основанных на стационарном делении сети и средстве воздействия наапериодическую составляющую в отключаемом токе КЗ.Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующиезадачи:- Разработка и верификация расчетной модели КЗ действующей ЭЭСКыргызстана и на среднесрочную перспективу (10 лет).- Сравнительный расчет и анализ уровней токов КЗ и отключающейспособностивыключателейнапряжением110-500 кВ,атакже5  электродинамической стойкости трансформаторов в действующей ЭЭСКыргызстана и на среднесрочную перспективу.- Определение достаточности стационарного деления в сети напряжением110-220 кВ для ограничения токов КЗ в действующей ЭЭС Кыргызстана и насреднесрочную перспективу для решения вопросов модернизации ипланирования развития ЭЭС.- Разработка математической модели процесса отключения КЗ навоздушной линии 500 кВ для определения средства воздействия наапериодическую составляющую тока КЗ, обеспечивающего соответствиеотключающей способности выключателей.Методология и методы исследования.

Решение поставленных задачпроводилось с помощью метода математического анализа, численного решениядифференциальных уравнений, математического моделирования на основетеории электрических цепей, исследования процессов отключения вспециализированном программном обеспечении (ПО) EMTP-RV для расчетаэлектромагнитных переходных процессов. В частности, для оценкидействующих значений токов КЗ использовался метод математическогомоделирования электрических цепей энергосистем в современномпрограммном комплексе, сформированном на основе систем узловых илинейных уравнений с комплексными коэффициентами трансформаторов иавтотрансформаторов.Научная новизна работы заключается в решении научно-техническойпроблемы по координации уровней токов КЗ, а именно:1.Впервые разработана расчетная модель КЗ электрических сетей110-500 кВ действующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу(10 лет) с использованием современного математического программногокомплекса, позволяющая повысить надежность и достоверность результатоврасчетов токов КЗ за счет учета РПН трансформаторов, определяемогопараметрами установившегося режима, за счет учета параметровпредшествующего режима генераторов и за счет учета влияния параметровнагрузок сети на процесс короткого замыкания.2.Обоснована возможность использования стационарного деления всети напряжением 110-220 кВ как способа координации уровней токов КЗ вдействующей ЭЭС Кыргызстана и на среднесрочную перспективу.3.Разработана математическая модель процесса отключения КЗ навоздушной линии 500 кВ, использующая модель электрической дуги ипозволяющая исследовать влияние апериодической составляющей тока КЗ наотключающую способность элегазового выключателя.4.Выявлены условия неуспешного отключения элегазовымвыключателем КЗ на воздушной линии 500 кВ вследствие значительногосодержания апериодической составляющей.

Обоснована возможностьобеспечения успешного отключения тока КЗ на ВЛ 500 кВ с повышенным6  содержанием апериодической составляющей путем увеличения бестоковойпаузы АПВ выключателя.Достоверность полученных результатов исследования подтверждена:- достаточной степенью сходимости результатов расчетов токов КЗ,полученных с помощью разработанной расчетной модели КЗ ЭЭС КР,созданной на базе современного программного комплекса, со значениями токовКЗ, предоставленными сетевой компанией, которые получены по даннымизмерений регистраторов аварийных событий;- корректным использованием теории электромагнитных переходныхпроцессов;- удовлетворительным совпадением результатов верифицированныхрасчетов, полученных при использовании метода математическогомоделирования электрических цепей ЭЭС в специализированном ПО EMTP-RV,срезультатамирасчетов,полученныханалитическимпутем,иэкспериментальными данными, полученными от сетевой компании.Теоретическая значимость работы.- В расчетной модели КЗ РПН трансформаторов и параметры схемызамещения генераторов задаются на основе расчета установившегося режимаЭЭС, обеспечивающего соответствие уровня напряжений требованиямГОСТ Р 54149-2010 и МЭК 61000-2-8:2002 и минимум потерь электроэнергии.- При расчете начальных значений периодической составляющей тока КЗучтены нагрузки в узлах сети среднего номинального напряжения длядействующей ЭЭС КР и на среднесрочную перспективу (10 лет).- При оценке электродинамической стойкости трансформаторов в ЭЭСКР учтены нагрузки вторичных обмоток.- В математической модели процесса отключения КЗ на ВЛ 500 кВвлияние апериодической составляющей тока КЗ на отключающую способностьЭВ учитывалось с помощью модели электрической дуги.Практическая значимость работы заключается в предоставлениисетевой компании информации о несоответствии отключающей способностивыключателей и электродинамической стойкости трансформаторов текущим иожидаемым в среднесрочной перспективе значениям токов КЗ, а также вразработке рекомендаций сетевой компании по новым условиям эксплуатациивыключателей для решения вопросов модернизации и планирования развитияЭЭС КР.Основные положения, выносимые на защиту.1.Расчетная модель КЗ действующей ЭЭС Кыргызстана и насреднесрочную перспективу (10 лет), позволяющая повысить надежность идостоверность результатов расчетов токов КЗ за счет учета РПНтрансформаторов, определяемого параметрами установившегося режима, за7  счет учета параметров предшествующего режима генераторов и за счет учетавлияния параметров нагрузок сети на короткие замыкания.2.Результаты сопоставления значений токов КЗ с параметрамиустановленных выключателей 110-500 кВ, а также соответствия отключающейспособности этих выключателей и электродинамической стойкоститрансформаторов в ЭЭС КР.3.Результатыобоснованиявозможностииспользованиястационарного деления в сети напряжением 110-220 кВ как способакоординации уровней токов КЗ в действующей ЭЭС КР и на среднесрочнуюперспективу.4.Математическая модель процесса отключения КЗ на воздушнойлинии 500 кВ, использующая модель электрической дуги и позволяющаяисследовать влияние апериодической составляющей тока КЗ на отключающуюспособность элегазового выключателя.5.Результаты оценки возможной задержки прохождения полного токаКЗ через нулевое значение в процессе отключения элегазового выключателя ВЛ500 кВ вследствие значительного содержания апериодической составляющей.6.Рекомендации для обеспечения успешного отключения тока КЗ навоздушной линии 500 кВ с повышенным содержанием апериодическойсоставляющей путем увеличения бестоковой паузы АПВ выключателя.Личный вклад.Разработана оригинальная расчетная модель КЗдействующей ЭЭС КР и на среднесрочную перспективу с использованиемсовременного математического программного комплекса, позволяющаяповысить надежность и достоверность результатов расчетов токов КЗ за счетучета влияния регулирования напряжения под нагрузкой на параметрытрансформаторов, за счет учета параметров предшествующего режимагенераторов и за счет учета параметров нагрузок [1, 2].