Исследование работы комплекса релейной защиты и автоматики сети переменного тока при введении высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
1 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УЧАСТКА СЕТИ, НЕ СОДЕРЖАЩЕЙ
ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 9
2 РАСЧЕТ РАБОЧИХ ТОКОВ И ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА
ПОДСТАНЦИЯХ, ПРИМЫКАЮЩИХ К ВПТ 16
2.1 Расчет рабочих токов 16
2.1.1 Трансформатор ТРДН 40000 110/10 16
2.1.2 Трансформатор ТДТН 63000 110/35/10 17
2.1.3 Автотрансформатор АТДЦТН 63000 220/110/10 17
2.1.4 Автотрансформатор АТДЦТН 125000 220/110/6 18
2.2 Расчет токов короткого замыкания 19
2.2.1 Расчет ТКЗ в максимальном режиме 20
2.2.2 Расчет ТКЗ в минимальном режиме 22
3. ВЫБОР СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 24
3.1 Нормативные требования к коммутационной аппаратуре 24
3.2 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на ТРДН 40 24
3.3 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на ТДТН 63 32
3.4 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на АТДЦТН 63 42
3.5 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на АТДЦТН 125 51
4. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА РАССМАТРИВАЕМОГО
УЧАСТКА СЕТИ 62
4.1 Выбор видов РЗА 62
4.1.1 ВЛ 110 кВ 62
4.1.2 Защиты силовых трансформаторов 65
4.2 Расчет уставок РЗА 71
4.2.1 Расчет уставок РЗА ТРДН 40 71
4.2.2 Расчет уставок РЗА ТДТН 63 78
4.2.3 Расчет уставок РЗА АТДЦТН 63 86
4.2.4 Расчет уставок РЗА АТДЦТН 125 92
4.2.5 Расчет уставок РЗА Линии №6 99
4.2.6 Расчет уставок РЗА Линии №5 106
5. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ КЛ ПОСТОЯННОГО
ТОКА 110
5.1 Высокотемпературная сверхпроводимость 110
5.2 Сверхпроводящие кабельные линии электропередачи 113
5.3 Преобразовательная установка 114
5.4 Схема передачи постоянного тока 116
6. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ППТ С ВТСП КЛ НА РЗА СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА 117
6.1 Выбор схем для подстанций 4 и 5 118
6.2 Анализ найденной по теме исследования литературы 119
6.3 Выяснение причин неправильных действий РЗА в следствии применения
выпрямительно-инверторных подстанций 121
6.3.1 Ошибка коммутации вентильной части 121
6.3.2 Особенности аварийных режимов управляемых выпрямителей .. 122
6.3.3 Аварийные режимы инвертора, ведомого сетью 124
6.3.4 Защита тиристорных выпрямителей 125
6.3.5 Ликвидация опрокидывания инвертора, ведомого сетью, подачей
опережающих импульсов 127
6.3.6 Защиты преобразователей и преобразовательного трансформатора 129
6.4 Анализ работы РЗА сети переменного тока при применении сверхпроводящих кабельных линий постоянного тока 130
6.4.1 Анализ мирового опыта, связанного с применением
сверхпроводящих линий 130
6.4.2 Особенности работы выпрямительных и инверторных подстанций с
ВТСП КЛ 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 137
ВВЕДЕНИЕ 6
1 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УЧАСТКА СЕТИ, НЕ СОДЕРЖАЩЕЙ
ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 9
2 РАСЧЕТ РАБОЧИХ ТОКОВ И ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА
ПОДСТАНЦИЯХ, ПРИМЫКАЮЩИХ К ВПТ 16
2.1 Расчет рабочих токов 16
2.1.1 Трансформатор ТРДН 40000 110/10 16
2.1.2 Трансформатор ТДТН 63000 110/35/10 17
2.1.3 Автотрансформатор АТДЦТН 63000 220/110/10 17
2.1.4 Автотрансформатор АТДЦТН 125000 220/110/6 18
2.2 Расчет токов короткого замыкания 19
2.2.1 Расчет ТКЗ в максимальном режиме 20
2.2.2 Расчет ТКЗ в минимальном режиме 22
3. ВЫБОР СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 24
3.1 Нормативные требования к коммутационной аппаратуре 24
3.2 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на ТРДН 40 24
3.3 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на ТДТН 63 32
3.4 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на АТДЦТН 63 42
3.5 Выбор коммутационной аппаратуры и ТТ на АТДЦТН 125 51
4. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА РАССМАТРИВАЕМОГО
УЧАСТКА СЕТИ 62
4.1 Выбор видов РЗА 62
4.1.1 ВЛ 110 кВ 62
4.1.2 Защиты силовых трансформаторов 65
4.2 Расчет уставок РЗА 71
4.2.1 Расчет уставок РЗА ТРДН 40 71
4.2.2 Расчет уставок РЗА ТДТН 63 78
4.2.3 Расчет уставок РЗА АТДЦТН 63 86
4.2.4 Расчет уставок РЗА АТДЦТН 125 92
4.2.5 Расчет уставок РЗА Линии №6 99
4.2.6 Расчет уставок РЗА Линии №5 106
5. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ КЛ ПОСТОЯННОГО
ТОКА 110
5.1 Высокотемпературная сверхпроводимость 110
5.2 Сверхпроводящие кабельные линии электропередачи 113
5.3 Преобразовательная установка 114
5.4 Схема передачи постоянного тока 116
6. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ППТ С ВТСП КЛ НА РЗА СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА 117
6.1 Выбор схем для подстанций 4 и 5 118
6.2 Анализ найденной по теме исследования литературы 119
6.3 Выяснение причин неправильных действий РЗА в следствии применения
выпрямительно-инверторных подстанций 121
6.3.1 Ошибка коммутации вентильной части 121
6.3.2 Особенности аварийных режимов управляемых выпрямителей .. 122
6.3.3 Аварийные режимы инвертора, ведомого сетью 124
6.3.4 Защита тиристорных выпрямителей 125
6.3.5 Ликвидация опрокидывания инвертора, ведомого сетью, подачей
опережающих импульсов 127
6.3.6 Защиты преобразователей и преобразовательного трансформатора 129
6.4 Анализ работы РЗА сети переменного тока при применении сверхпроводящих кабельных линий постоянного тока 130
6.4.1 Анализ мирового опыта, связанного с применением
сверхпроводящих линий 130
6.4.2 Особенности работы выпрямительных и инверторных подстанций с
ВТСП КЛ 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 137
В настоящее время традиционная электроэнергетика сталкивается с большим количеством трудноразрешимых проблем. Энергопотребление постоянно растет и требуется увеличение плотности потоков передаваемой энергии.
Можно обозначить основные проблемы электроэнергетических сетей:
• постоянно растущее энергопотребление ограничивается низкой пропускной способностью существующих сетей;
• увеличение сетей приводит к уменьшению их устойчивости, увеличивающиеся токи К.З. приводят к веерным отключениям;
• постоянно увеличиваются потери при передаче мощностей, так, например, в некоторых регионах потери достигли значений более 16 %;
• при передаче энергии в крупные города при помощи воздушных ЛЭП нарушается экология и возникает необходимость отчуждения больших участков земли;
• пожаробезопасность подстанций, распределительных сетей и кабельных линий;
• электромагнитное и тепловое загрязнение окружающей среды.
Возникающие проблемы довольно сложно преодолеть с использованием традиционных решений, необходима новая прорывная технология. Такой технологией может стать применение эффекта сверхпроводимости при создании различного электроэнергетического оборудования, в том числе и кабельных линий с выдающимися характеристиками, недостижимыми при использовании традиционных решений.Проекты по разработке и созданию сверхпроводящих кабелей были начаты в середине 70-х годов прошлого века, сразу же после начала промышленного производства низкотемпературных сверхпроводников. Инженеров привлекли такие свойства сверхпроводящих кабелей, как возможность передачи рекордных значений энергии, обусловленная высокой плотностью тока, и практически полное отсутствие активного сопротивления, что в свою очередь должно было снизить потери при передаче энергии потребителю. Дальнейшие работы и исследования были свернуты по экономическим соображениям, слабым местом низкотемпературных кабелей оказались системы криостатирования. Криостаты и системы криогенного обеспечения на уровень температур в 4,2 К оказались слишком дорогими и сложными в эксплуатации. Поэтому низкотемпературные сверхпроводящие кабели могли быть экономически эффективны только при мощностях больше единиц ГВт.
Лишь только к концу 90-х годов прошлого века, с появлением доступных высокотемпературных сверхпроводников, работы по созданию сверхпроводящих силовых кабелей получили новый импульс. Исследования, направленные на создание сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) были начаты повсеместно за рубежом и в России. Основное преимущество ВТСП-кабелей вызвано тем, что в качестве хладагента используется более дешевый и доступный жидкий азот и появляется возможность использовать сравнительно дешевые криостаты, надежные и более экономичные системы криогенного обеспечения.
Необходимо отметить, что плотность тока в одном сверхпроводнике как минимум в 100 раз больше чем в меди. Один ВСТП-провод может нести ток в десятки и более раз больший, чем обычный медный провод. Экономическая плотность тока в обычных силовых кабелях - около 1 -3 А/мм2, тогда как вВТСП-кабелях она может составлять 50-100 А/мм2. Это позволяет говорить об уменьшении габаритов энергетических линий и возможности замены воздушных ЛЭП, что особенно актуально в крупных городах.
Цель данного исследования: Сформулировать проблемы, с которыми могут столкнуться специалисты РЗА сети переменного тока, при введении ВТСП КЛ постоянного тока.
Можно обозначить основные проблемы электроэнергетических сетей:
• постоянно растущее энергопотребление ограничивается низкой пропускной способностью существующих сетей;
• увеличение сетей приводит к уменьшению их устойчивости, увеличивающиеся токи К.З. приводят к веерным отключениям;
• постоянно увеличиваются потери при передаче мощностей, так, например, в некоторых регионах потери достигли значений более 16 %;
• при передаче энергии в крупные города при помощи воздушных ЛЭП нарушается экология и возникает необходимость отчуждения больших участков земли;
• пожаробезопасность подстанций, распределительных сетей и кабельных линий;
• электромагнитное и тепловое загрязнение окружающей среды.
Возникающие проблемы довольно сложно преодолеть с использованием традиционных решений, необходима новая прорывная технология. Такой технологией может стать применение эффекта сверхпроводимости при создании различного электроэнергетического оборудования, в том числе и кабельных линий с выдающимися характеристиками, недостижимыми при использовании традиционных решений.Проекты по разработке и созданию сверхпроводящих кабелей были начаты в середине 70-х годов прошлого века, сразу же после начала промышленного производства низкотемпературных сверхпроводников. Инженеров привлекли такие свойства сверхпроводящих кабелей, как возможность передачи рекордных значений энергии, обусловленная высокой плотностью тока, и практически полное отсутствие активного сопротивления, что в свою очередь должно было снизить потери при передаче энергии потребителю. Дальнейшие работы и исследования были свернуты по экономическим соображениям, слабым местом низкотемпературных кабелей оказались системы криостатирования. Криостаты и системы криогенного обеспечения на уровень температур в 4,2 К оказались слишком дорогими и сложными в эксплуатации. Поэтому низкотемпературные сверхпроводящие кабели могли быть экономически эффективны только при мощностях больше единиц ГВт.
Лишь только к концу 90-х годов прошлого века, с появлением доступных высокотемпературных сверхпроводников, работы по созданию сверхпроводящих силовых кабелей получили новый импульс. Исследования, направленные на создание сверхпроводящих силовых кабелей на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) были начаты повсеместно за рубежом и в России. Основное преимущество ВТСП-кабелей вызвано тем, что в качестве хладагента используется более дешевый и доступный жидкий азот и появляется возможность использовать сравнительно дешевые криостаты, надежные и более экономичные системы криогенного обеспечения.
Необходимо отметить, что плотность тока в одном сверхпроводнике как минимум в 100 раз больше чем в меди. Один ВСТП-провод может нести ток в десятки и более раз больший, чем обычный медный провод. Экономическая плотность тока в обычных силовых кабелях - около 1 -3 А/мм2, тогда как вВТСП-кабелях она может составлять 50-100 А/мм2. Это позволяет говорить об уменьшении габаритов энергетических линий и возможности замены воздушных ЛЭП, что особенно актуально в крупных городах.
Цель данного исследования: Сформулировать проблемы, с которыми могут столкнуться специалисты РЗА сети переменного тока, при введении ВТСП КЛ постоянного тока.
Для того что бы применить в данной сети высокотемпературный сверхпроводящий кабель постоянного тока необходимо провести реконструкцию подстанций 4 и 5, что приводит к необходимости перерасчета уставок РЗА линий 5 и 6. Также при перерасчете необходимо учитывать изменения рабочих токов, вызванное регулированием передачи постоянного тока. Согласно [6], ППТ образуют разрыв в электрической сети с точки зрения «подпитки» аварийного участка, и, как следствие, уровень токов КЗ либо не изменится, либо незначительно уменьшится. Поэтому токи КЗ не требуют перерасчета. В аварийных режимах преобразователь, в следствии не синусоидальности и не симметрии токов, относительно нулевой оси является источником четных и не четных высокочастотных гармоник, в результате воздействия которых наблюдаются излишняя работа релейной защиты сети переменного тока, вблизи ППТ. Так при коротком замыкании на линии W2 (рисунок 23) произойдет просадка напряжения на шинах подстанции, в результате которой, согласно [33,38] может произойти ошибка коммутации преобразователя, которая приведет к генерации высших гармоник в сеть переменного тока. В результате действия этих гармоник ток в линии W1 искажается свободными составляющими переходного процесса (рисунок 24) в следствии которых может наблюдаться излишняя работа дистанционной защиты.
АПВ линии W2, согласно исследованиям [27] в следствии выше описанных гармонических составляющих, также может оказаться неуспешной, т.к. свободные составляющие приводят к нагреву канала дуги и существенному снижению вероятности её гашения, что необходимо учитывать при настройке циклов ОАПВ смежных с ППТ ЛЭП.дистанционной защиты, может являться замена встроенных в микроконтроллеры РЗА фильтров Фурье на фильтр, основанный на адаптивно структурном анализе (рисунок 25).
Рисунок 25. Амплитуда основной гармоники тока в неповрежденной ЛЭП.
Фильтр Фурье всегда дает оценку, и в течение первых 2,5 периодов основной гармоники имеет недопустимо высокую погрешность [39], и использующие его алгоритмы релейной защиты могут срабатывать излишне. Адаптивный структурный анализ обеспечивает распознавание основной гармоники также через 2,5 периода, однако в этом случае на начальном этапе аварийного процесса алгоритм релейной защиты будет заблокирован от излишней работы по причине отсутствия информационной составляющей в модели сигнала.
Возможным решением проблемы, которая связанна с ОАПВ является отказ от ОАПВ без выдержки времени.
Анализ зарубежного опыта эксплуатации сверхпроводниковых кабельных линий (проекты HYDRA, AmpaCity) показал, что на данныймомент не зарегистрировано ни одного аварийного отключения, связанного с ВТСП КЛ постоянного тока, поэтому на данный момент можно условно считать, что ВТСП КЛ не оказывает влияния на сеть переменного тока. Это может быть связанно с тем, что сверхпроводники начали применять относительно недавно (проект HYDRA c 2011 г., проект AmpaCity c 2014 г.).
При выборе сверхпроводника необходимо учитывать критерии, описанные в пункте 5.1 (основные определения, характеризующие свойства сверхпроводников). Так, если сверхпроводник будет терять свои свойства (переходить в режим диэлектрика) при аварийных токах преобразовательных установок, то он будет работать как быстродействующее токоограничивающее устройство, что позволит упростить СУРЗА на постоянном токе. Если применять сверхпроводниковую КЛ таким образом, то необходимо отключать токи КЗ раньше, чем произойдет отказ кабельной линии, согласно [37] ВТСП КЛ, который будет применен в Санкт-Петербурге выдерживает 31,5 кА на протяжении 0,25 с., 12,5 кА - 1,5 с.
Так же не стоит забывать о том, что сверхпроводник может перейти в нормальное состояние при воздействии на него внешнего электромагнитного поля, выше критического.
Если сверхпроводник не будет терять свои свойства в аварийных режимах, то все КЗ в сети постоянного тока необходимо рассматривать как КЗ на выводах преобразователя. Также, согласно [33] при применении на преобразователях защиты на снятие импульсов, продолжительность протекания аварийных токов определяется соотношением активного сопротивления к индуктивности в контуре короткого замыкания, чем выше активная составляющая, тем ниже ток КЗ. ВТСП кабель в сверхпроводящем состоянии обладает очень низким активным сопротивлением, что может стать причиной увеличения продолжительности протекания аварийного тока, и,как следствие, преобразователь будет генерировать большее количество гармонических составляющих в сеть переменного тока.
В таблице 79 приведен полный список проблем, которые были обнаружены в ходе исследования.
Таблица 79. Проблемы, которые могут появиться в следствии применения ППТ.
Проблема Примечание Возможные решение
Неправильное срабатывание ДЗ Наблюдается при возникновении ошибки коммутации вентилей Замена ДЗ на дифференциально фазную, применение алгоритмов адаптивно структурного анализа
Неправильное срабатывание направленных защит — —
Неправильное срабатывание Диф. защиты Наблюдается вблизи униполярных передач в следствии насыщения трансформаторов —
ОАПВ Высшие гармоники подпитывают ток дуги. Увеличение выдержки времени
АПВ линии W2, согласно исследованиям [27] в следствии выше описанных гармонических составляющих, также может оказаться неуспешной, т.к. свободные составляющие приводят к нагреву канала дуги и существенному снижению вероятности её гашения, что необходимо учитывать при настройке циклов ОАПВ смежных с ППТ ЛЭП.дистанционной защиты, может являться замена встроенных в микроконтроллеры РЗА фильтров Фурье на фильтр, основанный на адаптивно структурном анализе (рисунок 25).
Рисунок 25. Амплитуда основной гармоники тока в неповрежденной ЛЭП.
Фильтр Фурье всегда дает оценку, и в течение первых 2,5 периодов основной гармоники имеет недопустимо высокую погрешность [39], и использующие его алгоритмы релейной защиты могут срабатывать излишне. Адаптивный структурный анализ обеспечивает распознавание основной гармоники также через 2,5 периода, однако в этом случае на начальном этапе аварийного процесса алгоритм релейной защиты будет заблокирован от излишней работы по причине отсутствия информационной составляющей в модели сигнала.
Возможным решением проблемы, которая связанна с ОАПВ является отказ от ОАПВ без выдержки времени.
Анализ зарубежного опыта эксплуатации сверхпроводниковых кабельных линий (проекты HYDRA, AmpaCity) показал, что на данныймомент не зарегистрировано ни одного аварийного отключения, связанного с ВТСП КЛ постоянного тока, поэтому на данный момент можно условно считать, что ВТСП КЛ не оказывает влияния на сеть переменного тока. Это может быть связанно с тем, что сверхпроводники начали применять относительно недавно (проект HYDRA c 2011 г., проект AmpaCity c 2014 г.).
При выборе сверхпроводника необходимо учитывать критерии, описанные в пункте 5.1 (основные определения, характеризующие свойства сверхпроводников). Так, если сверхпроводник будет терять свои свойства (переходить в режим диэлектрика) при аварийных токах преобразовательных установок, то он будет работать как быстродействующее токоограничивающее устройство, что позволит упростить СУРЗА на постоянном токе. Если применять сверхпроводниковую КЛ таким образом, то необходимо отключать токи КЗ раньше, чем произойдет отказ кабельной линии, согласно [37] ВТСП КЛ, который будет применен в Санкт-Петербурге выдерживает 31,5 кА на протяжении 0,25 с., 12,5 кА - 1,5 с.
Так же не стоит забывать о том, что сверхпроводник может перейти в нормальное состояние при воздействии на него внешнего электромагнитного поля, выше критического.
Если сверхпроводник не будет терять свои свойства в аварийных режимах, то все КЗ в сети постоянного тока необходимо рассматривать как КЗ на выводах преобразователя. Также, согласно [33] при применении на преобразователях защиты на снятие импульсов, продолжительность протекания аварийных токов определяется соотношением активного сопротивления к индуктивности в контуре короткого замыкания, чем выше активная составляющая, тем ниже ток КЗ. ВТСП кабель в сверхпроводящем состоянии обладает очень низким активным сопротивлением, что может стать причиной увеличения продолжительности протекания аварийного тока, и,как следствие, преобразователь будет генерировать большее количество гармонических составляющих в сеть переменного тока.
В таблице 79 приведен полный список проблем, которые были обнаружены в ходе исследования.
Таблица 79. Проблемы, которые могут появиться в следствии применения ППТ.
Проблема Примечание Возможные решение
Неправильное срабатывание ДЗ Наблюдается при возникновении ошибки коммутации вентилей Замена ДЗ на дифференциально фазную, применение алгоритмов адаптивно структурного анализа
Неправильное срабатывание направленных защит — —
Неправильное срабатывание Диф. защиты Наблюдается вблизи униполярных передач в следствии насыщения трансформаторов —
ОАПВ Высшие гармоники подпитывают ток дуги. Увеличение выдержки времени
