Применение метода фазных координат для анализа несимметричных режимов электроэнергетических систем

В настоящее время в электроэнергетических системах (ЭЭС) находится в эксплуатации силовое оборудование, в большинстве своем исчерпавшее свой ресурс. В то же время, ввиду снижения нагрузок по причине спада промышленного производства напряжения в энергосистемах зачастую приближаются к максимально допустимым пределам. По этим причинам участились случаи выхода из строя энергетического оборудования, причем нередко повреждается лишь одна фаза трехфазного элемента (например, шунтирующего реактора, трехфазной группы однофазных автотрансформаторов (АТ) и др.). При этом имеется возможность продолжения работы оборудования неполным числом фаз, что позволяет обеспечить достаточно высокую надежность электроснабжения в послеаварийных режимах, а в ряде случаев избежать развития серьезных аварий. Для оценки условий допустимости таких несимметричных режимов, для разработки мероприятий по управлению ими, а также для анализа сложных несимметричных повреждений возникает необходимость в расчетах напряжений, токов, мощностей в ЭЭС при различных параметрах фаз. В нормальных нагрузочных режимах также возникает несимметрия токов и напряжений из-за наличия в энергосистеме таких элементов, как протяженные воздушные линии электропередачи (ВЛ), железнодорожная тяговая нагрузка на переменном токе [1]. Особенно заметно пофазное различие параметров на линиях 330−750 кВ [2, 3]. В некоторой степени оно может быть устранено применением транспозиции, особым размещением фаз на опорах [4, 5]. Тем не менее, остается актуальной возможность учета несимметрии линий при некоторых специализированных расчетах нормальных и аварийных режимов, а также для повышения надежности работы релейной защиты [6].

Наиболее точно реальной энергосистеме соответствует трехфазная модель, в которой любой элемент представлен собственными сопротивлениями трех фаз и взаимными междуфазными сопротивлениями [7, 8, 9, 10, 11, 12] (метод фазных координат). Однако до последнего времени данный метод используется ограниченно из-за сложности расчетных моделей и значительного объема вычислений.

Для упрощения расчетной модели применяется представление трехфазной системы токов и напряжений в виде симметричных составляющих. Продольная и поперечная несимметрия в системе может быть учтена при расчете в симметричных составляющих. Данный вопрос подробно рассмотрен в работах [7, 13]. При этом применяются различные приемы: составление комплексных схем замещения, использование расчетных соотношений, применение специальных многополюсников связи между схемами различных последовательностей [13]. Однако применение симметричных составляющих при расчетах несимметричных режимов сопряжено с рядом сложностей: количество одновременно рассматриваемых несимметрий невеликокомплексные схемы замещения при одновременном рассмотрении двух несимметрий в различных фазах не обладают взаимностью (то есть соответствующая матрица узловых проводимостей или узловых сопротивлений несимметрична относительно главной диагонали).

Основным преимуществом метода симметричных составляющих по сравнению с методом фазных координат является уменьшенное количество информации, требующейся для формирования схемы замещения, меньший объем машинной памяти при выполнении расчетов на ПЭВМ, меньшее количество расчетных операций и затрат машинного времени. Однако при представлении трехфазной системы в симметричных составляющих происходит выравнивание параметров фаз и теряется пофазное различие. Метод симметричных составляющих при анализе сложных несимметричных режимов требует применения сложного математического аппарата и не является универсальным. В этих случаях он не имеет заметного преимущества перед методом фазных координат.

В работе [14] приводится анализ различных видов погрешностей, имеющих место при расчете установившихся режимов электрических систем. Моделирование трехфазных элементов в симметричных составляющих вносит дополнительную методическую погрешность в расчет, тем большую, чем значительнее пофазное различие, существующее в реальной системе.

Развитие вычислительной техники на современном этапе позволяет снять ограничения на использование метода фазных координат в энергетических расчетах, имевшиеся из-за низких вычислительных способностей ЭВМ. ПЭВМ последних серий имеют достаточно высокое быстродействие и объем памяти для работы с трехфазной моделью энергосистемы. Учет слабой заполненности матриц узловых проводимостей в фазных координатах еще более ускоряет обработку таких моделей. Поэтому стало возможным проводить анализ режимов достаточно обширных участков энергосистемы с учетом пофазного различия элементов [7]. Количество одновременных несимметрий при этом практически не ограничено.

В диссертационной работе разработаны и усовершенствованы трехфазные математические модели, учитывающие пофазные различия элементов энергосистемы (воздушных линий без транспозиции, трансформаторов с различными коэффициентами трансформации и сопротивлениями фаз, несимметричных нагрузок, оборудования с неполным числом фаз). Приводятся трехфазные модели трансформаторов с явно представленной нейтралью обмотки, соединенной в звезду, в виде отдельного трехфазного узла, которые могут быть применены при анализе режимов сложных трансформаторных цепей с подключенными в нейтрали устройствами для продольно-поперечного регулирования напряжения [15], а также при расчетах режимов, когда требуется контроль потенциала нейтрали.

В настоящей работе приводятся методики расчета на ПЭВМ аварийных (для начального момента времени) и установившихся длительных режимов работы энергосистемы по трехфазной модели системы. Разработан модернизированный алгоритм итерационного расчета установившегося режима с учетом особенностей трехфазных моделей. На базе данных методик создано специализированное программное обеспечение для ПЭВМ, работающие с трехфазными моделями энергосистем. С применением этих программ проведены исследования некоторых вопросов, связанных с особенностями взаимодействия фаз близко расположенных ВЛ.

Современные электрические сети характеризуются высокой степенью сложности и разветвленности. Значительное количество воздушных линий на значительном протяжении проходят параллельно в непосредственной близости друг от друга. Возникающее при этом взаимодействие оказывает влияние на режим работы данных ВЛ и энергосистемы в целом. Особенно это заметно на двухцепных линиях, у которых расстояние между цепями определяется длиной траверс опор.

В трехфазной модели взаимное влияние между близко расположенными ВЛ учитывается наиболее полно, что позволяет провести анализ влияния цепей друг на друга с учетом пространственного расположения фазных проводов на опорах. В [16] рассмотрено влияние фазировки цепей двухцепных В Л на их эквивалентное продольное сопротивление, а, следовательно, на пропускную способность. В настоящей диссертационной работе проведена комплексная оценка зависимости таких параметров двухцепной ВЛ, как продольное сопротивление, емкостная проводимость, натуральная мощность, от расположения фаз на опорах для ряда конкретных двухцепных линий.

В [17] предложены способы снижения несимметрии токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в двухцепных ВЛ за счет рациональной подвески фаз с целью отказа от транспозиции достаточно протяженных линий. В диссертационной работе проведено дополнительное уточнение картины распределения токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей в цепях двухцепной ВЛ при различных вариантах расположения ее фаз как в нормальных рабочих режимах, так и при коротких замыканиях. Проведена оценка условий работы устройств релейной защиты двухцепных ВЛ с учетом взаимовлияния цепей.

Рассмотрены особенности потокораспределения в параллельных ВЛ при наличии между ними достаточно сильного взаимовлияния.

Значительное внимание в работе уделено вопросу определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт воздушных линиях. В настоящее время энергосистемам предписано выявлять путем измерений воздушные линии, на которых при их отключении и заземлении наводится опасное напряжение свыше 42 В от близко расположенных действующих ВЛ. При этом выдвигается требование определения наведенного напряжения при максимальном возможном влияющем токе. Поэтому возникает потребность пересчета измеренных наведенных напряжений к максимально возможному значению. В связи с этим разработана универсальная методика с использованием трехфазных математических моделей, которая позволяет определять наведенные напряжения с учетом комплексного воздействия нескольких действующих ВЛ в различных режимах их работы. Рассмотрен вопрос корректного определения потенциала на заземляющем устройстве подстанции, к которому присоединяется отключенная линия своим концом, с учетом токов, стекающих с грозозащитных тросов других ВЛ и с нейтралей автотрансформаторов. Также предлагается упрощенная инженерная методика пересчета к максимальным значениям измеренных наведенных напряжений, которая может быть применена при отсутствии специализированных расчетных программ, работающих с трехфазными моделями энергосистем, а также для оценки уровня наведенного напряжения при упрощенной схеме взаимодействия воздушных линий.

Работа выполнялась с применением вычислительной техники, самостоятельно разработанного программного обеспечения. Методика расчета наведенных напряжений по трехфазным моделям ВЛ использовалась при определении наведенных напряжений в энергосистемах энергообъединений Центра, Северо-Запада, Урала, Юга.

Выводы по главе 4.

1. Предложены пути уточнения определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт ВЛ за счет более корректного учета таких условий, как электромагнитное и электростатическое взаимовлияние ВЛ, сопротивление заземления в месте проведения работ, взаимное расположение фаз и тросов отключенной и влияющих линий на каждом транспозиционном участке, несимметрия влияющих токов, комплексное влияние нескольких линий на отключенную и др.

2. Для целей повышения точности расчетного определения наведенных напряжений произведено уточнение модели заземляющего устройства трансформаторной подстанции с учетом стекания токов нулевой последовательности с грозозащитных тросов всех ВЛ и с нейтралей трансформаторов (автотрансформаторов).

3. Разработана упрощенная (инженерная) методика расчета наведенных напряжений, основанная на представлении заземления выведенной в ремонт ВЛ как короткого замыкания через переходное сопротивление, равное сопротивлению заземляющего устройства.

Отключенная линия при этом моделируется тремя схемами замещения (прямой, обратной, нулевой последовательностей), причем в отличие от расчета токов КЗ наведенные ЭДС присутствуют в схемах всех трех последовательностей.

4. Предложена универсальная методика определения наведенных напряжений с использованием программы для ПЭВМ расчета установившихся режимов энергосистем по трехфазным моделям отключенной и влияющих ВЛ, позволяющая учитывать большинство факторов, способствующих повышению точности расчета, проводить анализ режимов схемы с целью выявления наиболее тяжелых условий с точки зрения уровня наведенных напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Усовершенствованы трехфазные математические модели элементов ЭЭС, учитывающие несимметричность параметров ВЛ, трансформаторов, нагрузок и другого оборудования, применительно к расчетам установившихся и сверхпереходных режимов ЭЭС.

2. Разработаны методика, алгоритм и программное обеспечение для анализа установившихся и сверхпереходных несимметричных режимов ЭЭС и управления ими. Программа предназначена для планирования допустимых режимов при наличии в сети несимметрии параметров отдельных элементов, в том числе связанной с неполнофазным включением оборудования, а также для анализа несимметричных повреждений ЭЭС.

3. Выявлены особенности влияния расположения фаз двухцепных В Л на их физические (индуктивное сопротивление, емкостная проводимость) и режимные (несимметрия токов и напряжений) параметры и на условия работы устройств релейной защиты. Для ряда конкретных двухцепных ВЛ 110−500 кВ даны рекомендации по улучшению их режимных характеристик, снижению несимметрии токов и напряжений, повышению надежности работы релейной защиты за счет рационального размещения фазных проводов.

4. Предложена уточненная методика определения наведенных напряжений на выведенных в ремонт ВЛ, учитывающая электромагнитное и электростатическое взаимодействие отключенной и влияющих ВЛ, их пофазную несимметрию, особенности схемы заземления подстанции и другие факторы. Методика внедрена в энергосистемах энергообъединений Центра, Урала, Северо-Запада, Юга.

5. Предложены практические способы решения научно-исследовательских, эксплуатационных задач оценки допустимости несимметричных и неполнофазных режимов работы оборудования. Разработаны технические мероприятия по снижению несимметрии токов и напряжений, обусловленной пофазным различием параметров элементов ЭЭС.