Применение токоограничивающих устройств в электрических сетях
Лекция № 32
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Применение токоограничивающих устройств в электрических сетях
Увеличение токов короткого замыкания (КЗ, сопровождающееся увеличением электродинамических и тепловых воздействий на оборудование, приводит к росту повреждений обмоток генераторов, синхронных компенсаторов, трансформаторов, реакторов и других электрических аппаратов. Сверхнормативные токи КЗ могут повреждать выключатели, обеспечивающие локализацию и ликвидацию аварийных ситуаций в системе, что приводит к увеличению масштабов последствий КЗ, в том числе за счёт возникновения пожаров на энергообъектах. Указанные обстоятельства снижают надежность работы электроэнергетических систем.
Максимальный уровень токов короткого замыкания, определяющий требования к электрическим аппаратам и оборудованию, становится критическим параметром и ограничивающим фактором развития электрических систем. Величина максимального уровня тока КЗ− это технико-экономический параметр, определяющий целесообразность ограничения тока КЗ или замену оборудования на новое (если это возможно), способное выдержать увеличенные значения токов КЗ. Учитывая, что второй путь является высокозатратным, основные методы решения проблемы связаны с применением способов и мероприятий по ограничению уровней токов КЗ.
В настоящее время в сетях промышленных предприятий, электрических станций и подстанций напряжением до 35 кВ ограничение токов КЗ достигается, в основном, за счёт применения токоограничивающих реакторов и трансформаторов с расщепленными обмотками. В сетях напряжением выше 35 кВ основными являются схемно-технические решения, обеспечивающие секционирование сети и организацию автоматического деления сети при аварийных ситуациях.
Однако все эти решения приводят к снижению надежности электроснабжения потребителей, увеличению потерь в системе, снижению качества напряжения на его шинах, так как ограничение токов КЗ достигается за счёт увеличения суммарного реактанса сети.
Проблемы ограничения токов КЗ является весьма актуальной для всех стран мира. Решением этой проблемы занимаются практически все крупные электротехнические компании, международные научные организации, такие как СИГРЭ и IEEE, научно-исследовательские центры и ВУЗы во многих странах, в том числе и в России. Особенно остро проблема проявляется в сетях напряжением 110-220 кВ. Об актуальности проблемы неоднократно заявляли представители Мосэнерго, Ленэнерго, ФСК ЕЭС и её структурные подразделения.
Появления новых технологий и материалов, связанных с преобразовательной техникой и явлением сверхпроводимости, быстрые прогресс в элементной базе силовой электроники и высокотемпературных сверхпроводников материалах (ВТСП) дают возможность создания токоограничивающих устройств нового поколения, обладающих свойствами, которые позволят открыть дорогу к широкому применению этих устройств в электроэнергетике. Эти свойства могут быть сформулированы в виде общих технических требований к токоограничителям (ТО), в соответствии с которыми ТО должны
- обеспечивать ограничение значений ударного и установившегося токов КЗ до допустимого (заданного) уровня;
- иметь быстродействие не ниже 2-3 мс;
- не оказывать существенного влияния на нормальный режим работы сети, прежде всего на уровень напряжений;
- не вносить существенных нелинейных искажений в параметры режима сети, особенно при нормальном режиме ее работы;
- иметь автоматическое срабатывание и восстановление после устранения тока КЗ;
- иметь стабильные характеристики при изменении схемы сети;
- не оказывать отрицательного влияния на функционирование других элементов сети и систем защиты (например, на запуск двигателей, работу АПВ и т.д.).
Одновременно с реализацией функции токоограничения новые устройства могут обеспечить быстродействующее отключение тока (за время менее полупериода частоты питающей сети).
Анализ показывает, что применение ТО за счет его взаимодействия с различными элементами и системами электрической сети имеет существенный системный эффект, зависящий от места установки ТО. Токоограничивающие устройства могут быть применены [1]
- для объединения секций шин подстанций 1(рис. 1, а);
- для ввода нового генерирующего источника на электростанциях 2 (рис. 1, а);
- для распределения электроэнергии с шин генераторного напряжения 3 (рис. 1, а);
- для ограничения тока КЗ в воздушных и кабельных линиях электропередачи 4 (рис. 1, а);
- для ограничения тока КЗ в сверхпроводящих кабелях 5 (рис. 1, а);
- для расширения подстанций с присоединением к новым генерирующим мощностям (рис. 1, б);
- для подключения мощной нагрузки (рис. 1, в);
- для объединения локальных энергосистем(рис. 1, г).
Рис. 32.1
Применение ТО на подстанциях в цепях выключателей высокого напряжения (ВН) позволяет скоординировать растущий уровень токов КЗ в сетях ВН с отключающей способностью выключателей, отработавших свой срок или подлежащих замене.
При применении ТО может быть решена и проблема токоограничения при одновременном соблюдении требований по самозапуску двигателей в цепях собственных нужд электростанций и подстанций, на промышленных предприятиях со сложными непрерывными технологическими процессами. При этом могут быть улучшены оба параметра, влияющие на самозапуск двигателей: увеличено напряжение на шинах с подключенными двигателями, которое прикладывается к ним после отключения КЗ, и уменьшена длительность посадки напряжении при КЗ за счет сокращения времени АВР и, соответственно, уменьшения времени торможения двигателей. Первый эффект обеспечивается за счет свойства ТО иметь низкий реактанс в нормальном режиме. Уменьшение времени АВР может быть достигнуто за счет установки ТО в цепь секционного выключателя. Такая схема позволяет держать секционный выключатель нормально замкнутым, не боясь увеличения тока короткого замыкания. При этом время работы с пониженным напряжением определится только временем отключения поврежденного присоединения или ввода питания. Снижение же напряжения на той секции, где нет КЗ вообще, практически не произойдет. Возможность работы секционированного распределительного устройства (РУ) с нормально замкнутым секционным выключателем позволяет, кроме того, равномерно распределить нагрузку между питающими трансформаторами, что ведет к снижению потерь. Последнее относится не только к цепям собственных нужд, но и к любым распределительным и питающим сетям. В случае установки в рассматриваемых цепях бетонных реакторов, реактанс которых выбирается по уровню токоограничения, напряжение за ними после ликвидации КЗ может оказаться недостаточным для самозапуска двигателей. Исходя из этих соображений, в ряде случаев приходится отказываться от установки токоограничивающих реакторов, завышая при этом коммутационную способность выключателей и удорожая тем самым стоимость распределительных устройств.
По данным специалистов ФСК ЕЭС, уже в настоящее время на целом ряде подстанций московской энергосистемы токи КЗ приближены к предельным
значениям, не позволяющим увеличить нагрузку данных подстанций при реконструкции и сооружении новых линий связи с вводимыми генерирующими источниками.
Эффективность применения ТО в электрических сетях определяется следующими факторами:
- сохранением существующего на станциях и подстанциях коммутационного оборудования при подключении дополнительных мощностей или подключении новых линий;
- снижением затрат на коммутационное оборудование на вновь строящихся объектах;
- отказом от секционирования электрических сетей 110 – 500 кВ, обеспечивающим повышение надежности работы системы;
- повышением надежности питания промышленных предприятий;
- повышением качества электроэнергии за счет уменьшения эквивалентного индуктивного сопротивления сети;
- повышением надежности работы электрооборудования за счет снижения электродинамических и тепловых воздействий при ограничениях ударных и установившихся токов КЗ;
- упрощением схем электроснабжения за счет возможности организации распределения электроэнергии с шин генераторного напряжения;
- уменьшением потерь электроэнергии и напряжения за счет замены традиционных токоограничивающих реакторов;
- повышением надежности эксплуатации и снижением стоимости сверхпроводящих кабельных линий.
Учитывая разнообразие предлагаемых технических решений в направлениях создания токоограничивающих устройств целесообразно провести технико-экономическое сравнение наиболее перспективных вариантов сверхпроводниковых и полупроводниковых ТО (рис. 2). В качестве исходных технических характеристик ТО для анализа приняты данные, приведенные в табл. 1. Варьирование значения установившегося тока КЗ при наличии ТО позволяет выявить влияние кратности (глубины) ограничения тока Когр = Iкз(без ТО)/Iкз(с ТО).
Таблица 1
| Параметр | Класс напряжения | |||
| 10кв | 20кВ | 110кВ | 220кВ | |
| Номинальный ток, кА | ||||
| Ток срабатывания, кА | ||||
| Длительность КЗ, мс | ||||
| Ударный ток КЗ (без ТО), кА | ||||
| Установившийся ток КЗ: без ТО, кА с ТО, кА | 20;5 | 20;5 | 40;20;5 | 40;20;5 |
Представленные на рис. 2 варианты устройства ТО включают группу устройств со сверхпроводниковыми элементами 2-6 и группу устройств с полупроводниковыми элементами 7-10.
Рис. 32.2
Принципиально важной характеристикой сверхпроводниковых токоограничителей (СПТО) является свойство естественного перехода сверхпроводникового элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное без каких-либо внешних управляющих сигналов [2] только за счет увеличения протекающего через него мгновенного значения тока сверхкритического значения, что позволяет создать надежное токоограничивающее устройство, не имеющее каких-либо дополнительных внешних управляющих систем, необходимых, например, для функционирования токоограничителей на основе силовой электроники (ППТО) [3].
Следует заметить, что для любой реализации схемы СПТО его стоимость определяется, в основном, необходимым количеством ВТСП материала, стоимость которого достигает 60-70% общей стоимости устройства. СПТО, обеспечивающие глубокое токоограничение, должны иметь относительно большое сопротивление в нормальном (не сверхпроводящем) состоянии, возрастающее с увеличением напряжения сети, что для резистивного варианта СПТО приводит к резкому увеличению ВТСП материалов и, следовательно, стоимости устройства.
Принципиальным решением, обеспечивающим существенное уменьшение необходимого количества ВТСП материала, является сокращение длительности протекания тока через сверхпроводник с помощью
быстродействующего (вакуумного) выключателя (варианты 3 и 5 на рис. 2) [4]. Аналогичный вариант исполнения СПТО предложен и исследован в ВЭИ. На рис. 3 представлена расчетная осциллограмма отключения тока КЗ таким токоограничителем-выключателем. Время протекания тока КЗ через сверхпроводниковый элемент не более 10 мс.
Рис. 32.3
1 – без устройства ТО; 2 – с ТО- выключателем
Функцию быстродействующего токоограничителя-выключателя выполняет ППТО (вариант 8 на рис. 2). При превышении мгновенного значения тока в основном полупроводниковом ключе 1 выше заданного уровня подается сигнал на его закрытие, ток переходит токоограничивающую цепь с ключом 2, который гаснет при переходе тока через ноль. На рис. 4 представлена расчетная осциллограмма отключения тока КЗ таким ТО.
Рис. 32.4
Анализ результатов сравнения вариантов показывает, что перспективным направлением разработок ТО является направление, связанное с созданием комбинированных ТО устройств на основе применения сверхпроводниковых элементов и традиционных, в первую очередь, быстродействующих вакуумных коммутационных аппаратов и реакторов, особенно с учетом прогнозов значительного снижения стоимости сверхпроводников.
В табл. 3 приведена информация о зарубежных разработках демонстрационных образцов и прототипов токоограничителей разного типа. Как видно из данных таблицы, наибольшее внимание уделяется разработкам сверхпроводящих токоограничителей резистивного типа, заметная доля которых основана на «иттриевых» (YBCO) тонких пленках и иттриевых покрытых проводниках (2-го поколения). Большое внимание уделяется и разработкам ТО на основе применения элементов силовой электроники. С учетом быстрого прогресса характеристик производимых мощных силовых полупроводниковых приборов, ТО на их базе могут стать коммерчески выгодными уже в ближайшие годы.
Следует заметить, что каких-либо активных работ в области разработок ТО на основе силовой электроники (полупроводниковых ТО) в России, к сожалению, не проводится. В то же время в России освоена технология создания управляемых реакторов, которые изготавливаются и эффективно работают в сетях напряжением до 500 кВ, поэтому создание ТО, использующих аналогичную технологию, может быть реализовано в минимальные сроки.
Таблица 2
| Тип ТО | Удельная стоимость | Длительность воздействия тока КЗ, мс | Влияние на уровень напряжения, % | Потери, % | Примечание |
| 15 -11 долл./кВА при Когр = 5-6 70-80 долл./кВА при Когр = 13 (для 220 кВ) | ΔU ~ 0 | ΔР ~ 0 | В перспективе стоимость может уменьшиться в 2-3 раза | |
| 10-8 долл./кВА при К огр =1,5-2,0 | ΔU ~ 0 | ΔР ~ 0 | ||
| 30-22 долл./кВА при Когр =1,5-2,0 | ΔU ~ 0 | ΔР ~ 0 | ||
| 45-33 долл./кВА при Когр = 4-8 | ΔU ~ 0 | ΔР ~ 0 | ||
| 1-3 долл./кВА при Когр = 1,5-2,0 | ΔU ~ 2-40 | ΔР ~ 0,1-0,3 | ||
| 12-14 долл./кВА при Когр =1,5-10 | ΔU ~ 0,4-7,5 | ΔР ~ 0,5-0,7 | ||
| 10-5 долл./кВА при Когр = 10 -15 | ΔU < 0,1 | ΔР ~ 0,3-0,4 | ||
| 47-35 долл./кВА при Когр =4,0-8,0 | ΔU < 2 | ΔР ~ 0,2-0,3 | ||
| 35-40 долл./кВА при Когр = 4-8 | ΔU < 0,1 | ΔР ~ 0,3-0,4 | ||
| 25-30 долл./кВА при Когр = 4-8 | ΔU < 0,1 | ΔР ~ 0,1-0,3 | ||
| 200 -130 долл./кВА | - | ΔU ~ 0 | ΔР ~ 1,6-1,8 | Для ВПТ напряжением 10-220 кВ |
Таблица 3
| Фирма-разработчик | Страна/год | Тип | Параметры |
| ABB | Швейцария/2001 | Резистивный, СП - BSCCO 2212 | 8 кВ, 800 А |
| ACCEL/Nexans | Германия/2004 | Резистивный, СП - BSCCO 2212 | 6,9 кВ, 600 А |
| Nexans | Германия/2008 | Резистивно-индуктивный, СП - BSCCO 2212 | 63,5 кВ, 1,8 кА |
| KEPRI | Корея/2007 | Резистивный, СП - BSCCO 2212 | 13,2 кВ, 630 А |
| General Atomics | США/2002 | Диодный мост, резистивный, СП - BSCCO 2223 | 7,2 кВ, 1,2 кА |
| Yonsei University | Корея/2004 | Диодный мост, резистивный, СП - BSCCO 2223 | 3,8 кВ, 200 А |
| CAS | Китай/2005 | Диодный мост, резистивный, СП - BSCCO 2223 | 6 кВ, 1,5 кА |
| Innopower | Китай/2007 | Железный сердечник с подмагничиванием постоянным током, СП - BSCCO 2223 | 20 кВ, 1,6 кА |
| KEPRI | Корея/2004 | Резистивный, СП - YBCO | 3,8 кВ, 200 А |
| CRIEPI | Япония/2004 | Резистивный, СП - YBCO | 1 кВ, 40 А |
| Siemens | Германия/2000 | Резистивный, СП - YBCO | 4,2 кВ, 100 А |
| Mitsubishi | Япония/2004 | Резистивный, СП - YBCO | 200 В, 1 кА |
| Alcatel | Франция/2001 | Резистивный, СП - YBCO | 100 В, 1,4 кА |
| IGC Superpower | США/2009 | Резистивный, СП - YBCO | 80 кВ, - кА |
| Rolls Royce | Англия/- | Резистивный, СП - MgB2 | 6,6 кВ, 400 А |
| EPRI/Powell | США/2004 | Силовые полупроводниковые приборы | 8 кВ, 1,2 кА |
| Siemens | Германия/2004 | Силовые полупроводниковые приборы | 6,9 кВ, 25 МВА |
| EPRI | США/2009 | Силовые полупроводниковые приборы | 69 кВ, 3 кА |
Выводы
1. Ограничители токов короткого замыкания на основе применения технологий сверхпроводимости и силовой электроники позволяют обеспечить решение одной из наиболее сложных проблем развития электроэнергетических систем — ограничение токов короткого замыкания.
2. На ближайшую перспективу решение проблемы глубокого токоограничения для сетей напряжением 110 -220 кВ может быть обеспечено за счет применения ТО на основе управляемых реакторов с подмагничиванием.
3. Перспективным направлением решения проблемы ограничения динамических воздействий на элементы электрических сетей при КЗ является создание и применение быстродействующих полупроводниковых токоограничителей-выключателей.
4.На отдаленную перспективу следует рассматривать устройства ТО, включающих сверхпроводниковые элементы и быстродействующие управляемые коммутационные аппараты, сокращающие время прохождения тока через сверхпроводниковый элемент. В настоящее время целесообразно провести разработку сверхпроводникового токоограничителя на напряжение 10 кВ.