АЛГОРИТМ РАСЧЕТА НАЧАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ И РАЗДЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ДЛЯ СОБСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Аварии, связанные с нарушением устойчивости параллельной работы в электрических системах, являются наиболее тяжёлыми, влекущими за собой расстройство электроснабжения больших районов и городов. Проблема устойчивости[1,2] наложила большой отпечаток на схемы коммутации, режимы работы и параметры оборудования и автоматики электрических систем.

На устойчивую параллельную работу станций непосредственное влияние оказывают также переходные процессы в узлах нагрузки, т. е. в приёмниках электроэнергии, включающих синхронные и асинхронные двигатели[3]. При проектировании и эксплуатации электроэнергетических установок потребителями вопросам режимов работы узлов нагрузок, как и вопросам устойчивости электрических систем должно уделяться большое внимание. Актуальной задачей является учёт явлений переходных процессов, в частности при коротких замыканиях как при параллельной, так и при раздельной работе[4,5,6,7,8,9].

Определение токов короткого замыкания (ТКЗ) в фиксированный момент времени в сложнозамкнутой сети в точке ТКЗ является одним из наиболее распространенных видов технических  расчетов, проводимых при проектировании и эксплуатации электроустановок. В более сложных задачах выполняются расчёты режимов ТКЗ, в которых определяется распределение токов в питающих элементах системы электроснабжения и остаточные напряжения во всех узлах схемы при ТКЗ в одном из них.

Даже для сравнительно простых схем электроснабжения расчеты токов ТКЗ получаются весьма трудоемкими, поэтому в [2] предусматривается возможность принятия ряда допущений, упрощающих расчеты. В частности, комплексные нагрузки[8,9] учитываются приближённо в виде эквивалентной комплексной нагрузки с эквивалентными параметрами (э.д.с. и сопротивлениями). Допускается не учитывать насыщение магнитных систем электрических машин и ток намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов; сопротивление системы оценивают, исходя из параметров выключателей, установленных на узловой подстанции при отсутствии данных о токе короткого замыкания, приближённо учитывается затухание апериодической составляющей, если схема содержит несколько независимых контуров, а также пренебрегают влиянием активных сопротивлений различных элементов на амплитуду периодической составляющей тока ТКЗ, сдвигом по фазе э.д.с. различных синхронных машин и изменением их частоты вращения, если продолжительность ТКЗ не превышает 0,5 с. Принятие этих упрощений считается допустимым, так как они приводят к увеличениям расчетных значений тока ТКЗ, а для большинства проектных и эксплуатационных задач, как правило, достаточно знать максимально возможные уровни токов ТКЗ. Однако поведение нагрузки при остаточных напряжениях в режиме ТКЗ для правильной оценки устойчивости работы систем электроснабжения должно быть выполнено более полно. Иначе невозможно правильно оценить влияние электромагнитных моментов нагрузок на баланс мощностей в ряде уравнений генераторов.

Более сложной задачей является расчет не токов ТКЗ в начальный момент его возникновения, а расчет режима короткого замыкания во времени с учетом действия регулирующих устройств и изменений нагрузки на валу, влияющих на устойчивость работы синхронных машин в системе электроснабжения[10].

В предлагаемом алгоритме (см. Рисунок 1) установившийся режим до короткого замыкания является исходным для переходного режима. Как было отмечено ранее, предварительный установившийся режим считается для определения модулей и фаз э.д.с. генераторов. Схема системы электроснабжения эквивалентируется и задается своими эквивалентными параметрами, после чего задается местоположение точки короткого замыкания, и она представляется балансирующим узлом с Zк.з.=0 и ЭДС Е = 0+j0.

Дальнейшие расчеты проводятся при изменившихся условиях связи с энергосистемой. При этом определяется действительное значение периодической составляющей тока при параллельной или раздельной работе.

Расчет режима короткого замыкания основан на методе последовательного эквивалентирования по алгоритму расчета, аналогичному расчету установившегося режима. В результате одного цикла свертывания– развертывания схемы определяются комплексные значения периодической составляющей токов в точке ТКЗ и во всех элементах разомкнутых сетей, а также комплексы остаточных напряжений во всех узлах сети [2].

В дальнейшем производится корректировка активных и реактивных мощностей нагрузок в соответствии с динамическими характеристиками для различных типов приемников и комплексной нагрузки узлов, в соответствии с остаточными напряжениями. Динамические характеристики строятся для следующих характерных групп электроприемников: высоковольтной синхронной и асинхронной нагрузки, тиристорного электропривода, низковольтной  цеховой нагрузки, которые задаютcя зависимостями активной  и реактивной мощности от напряжения [8].

В разработке эксплуатационных режимов систем электроснабжения крупных промышленных предприятий особое место занимает расчёт переходных режимов при коротких замыканиях, качаниях синхронных машин, толчкообразных изменениях нагрузки, резких изменениях частоты и напряжения[11]. Результаты расчёта позволяют оценить динамическую устойчивость узлов нагрузки предприятия, выявить предельное время отключения короткого замыкания, анализировать работу устройств релейной защиты и автоматики[10], проверить коммутационное оборудование по стойкости к токам короткого замыкания и по отключающей способности и оценить надежность системы электроснабжения[12,13,14]. Как правило, такие расчёты производятся с большим количеством допущений, необходимых лишь для облегчения ручного счёта. К таким допущениям относятся: замещение генераторов, удаленных от точки короткого замыкания неизменной по величине переходной э.д.с. за переходным сопротивлением; для узлов нагрузки, удаленных от места короткого замыкания, допустимо представлять нагрузку постоянной мощностью в тех узлах, в которых снижение напряжения в переходном режиме не превышает 5-10 % - постоянным сопротивлением.

В то же время современные тенденции развития энергохозяйства крупных предприятий ведут, с одной стороны, к увеличению числа и мощности собственных электростанций предприятия, а с другой стороны, – к большой вероятности выхода на раздельную работу всей системы электроснабжения предприятия или отдельных её узлов. Это приводит к существенному усложнению расчётов переходных режимов, причём пренебрежение влиянием синхронных и асинхронных двигателей вызывает значительное искажение результатов. Качания синхронных двигателей при коротких замыканиях оказывают значительное влияние, как на отдельные генераторы, так и на режимы системы электроснабжения в целом.

Исходными данными для расчета переходного режима являются результаты расчета предварительного установившегося режима. В результате расчета определяются значения электромагнитной мощности электрических машин, токов и напряжений предшествующего короткому замыканию, которые применяются в дальнейшем расчете. По значениям комплексных величин токов определяются э.д.с. в продольной и поперечной оси.

Величины напряжений определяют характер взаимодействия между отдельными машинами в переходном процессе. В момент отключения короткого замыкания мощность на валу генераторов изменяется и определяются приращения углов и скоростей на первом интервале. Дальнейший расчет ведется согласно блок-схеме (Рисунок 1).

В Табл.1 представлены результаты определения начальных значений токов трехфазного короткого замыкания и остаточных напряжений с учетом и без учета динамических характеристик на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 4 секция.

Таблица 1

В Табл.2 представлены результаты определения начальных значений токов трехфазного короткого замыкания и остаточных напряжений с учетом и без учета динамических характеристик на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 3 секция.

Таблица 2

В зависимости от места расположения точки короткого замыкания при определении остаточных напряжений и начальных токов трехфазного короткого замыкания видно, что на шинах ЦРУ 3 секции значения начальных токов с учетом и без учета динамических характеристик различаются на 0,33 кА; на шинах ЦРУ РУ ТГ5 на 0,05 кА; на шинах ЦРУ РУ ТГ7 на 0,04 кА; на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 4 секции на 0,48 кА; на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 3 секции на 0,47 кА, а остаточные напряжения практически одинаковы. Это обусловлено тем, что на ЦЭС двигатели близко расположены друг к другу.

Разработана методика определения начальных значений токов ТКЗ и остаточных напряжений при параллельной работе. В зависимости от места расположения точки короткого замыкания при определении остаточных напряжений и начальных токов трехфазного короткого замыкания видно, что на шинах ЦРУ 3 секции значения начальных токов с учетом и без учета динамических характеристик различаются на 0,33 кА; на шинах ЦРУ РУ ТГ5 на 0,05 кА; на шинах ЦРУ РУ ТГ7 на 0,04 кА; на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 4 секции на 0,48 кА; на шинах ЦЭС РУ 10 кВ, 3 секции на 0,47 кА, а остаточные напряжения практически одинаковы. Это обусловлено тем, что динамические характеристики позволяют учитывать режимы работы промышленной нагрузки до её отключения.

Список литературы

1.     Ротанова Ю.Н. Представление машин переменного тока в расчетах динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями /Б.И. Заславец, В.А.Игуменщев, А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова. //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2008. – №1 (111). – С. 3-8.

2.     Ротанова, Ю.Н. Повышение устойчивости системы электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями при коротких замыканиях / Ю.Н. Ротанова: дис. на соиск. ст. канд. техн.наук: 05.09.03. // МГТУ – Магнитогорск: 2008. – 174 с.

3.     Ротанова Ю.Н. Влияние высоковольтных двигателей собственных нужд на надежность системы электроснабжения собственных нужд ТЭЦ ОАО «ММК»  [Текст] / Малафеев А.В., Карандаева О.И., Ротанова Ю.Н., Буланова О.В. // Электротехнические системы и комплексы. – 2009. – № 17. – С. 96-104.

4.     Ротанова Ю.Н. Исследование сходимости метода расчета установившихся режимов систем электроснабжения при работе раздельно с энергосистемой/ О.В. Буланова, В.А. Игуменщев, А.В. Малафеев, Ю.Н. Ротанова // Электротехнические системы и комплексы. – 2005. – № 10. – С. 129.

5.     Ротанова Ю.Н. Определение асинхронной мощности синхронных генераторов в расчетах электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах  [Текст] / Буланова, О.В., Малафеев А.В., Николаев Н.А., Ротанова Ю.Н., Панова, Е.А. // Электрика. – 2010. – № 8. – С. 24-26.

6.     Газизова, О.В. Исследование эффективности работы делительной автоматики в системе электроснабжения промышленного предприятия черной металлургии [Текст] / Газизова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М., Извольский М.А. // Промышленная энергетика. – 2012. – № 10. – С. 12-17.

7.     Ротанова Ю.Н. Анализ переходных процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями в режимах выхода на раздельную работу после короткого замыкания [Текст] /Заславец Б.И., Игуменщев В.А., Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н. // Изв. вузов Электромеханика. – 2009. №1. – С. 60 - 65.

8.     Ротанова Ю.Н. Расчет динамических характеристик синхронных и асинхронных двигателей промышленных предприятий с целью анализа устойчивости систем электроснабжения [Текст] / Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2006. – № 2. – С. 71-75.

9.     Ротанова Ю.Н. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями при отделении от энергосистемы в результате короткого замыкания [Текст] / А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2008. – № 17 (117). – С. 72-74.

10. Буланова О.В. Анализ режимов несимметричных коротких замыканий в сложных системах электроснабжения с собственными электростанциями [Текст] / Малафеев А.В., Буланова О.В., Панова Е.А., Григорьева М.В. // Промышленная энергетика. – 2010. – № 3. – С. 26-31.

11. Буланова, О.В. Управление режимами промышленных электростанций при выходе на раздельную работу/ О.В. Буланова: дис. на соиск. ст. канд. техн.наук: 05.09.03. // МГТУ – Магнитогорск: 2007. – 175 с.

12. Карандаев, А.С. Анализ надежности оборудования тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты [Текст] / Карандаев А.С., Корнилов Г.П., Карандаева О.И., Ротанова Ю.Н., Ровнейко В.В., Галлямов Р.Р. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2009. – № 34 (167). – С. 16-22.

13. Ротанова Ю.Н. Методика прогнозирования остаточного ресурса электрооборудования при эксплуатации [Текст] / Одинцов К.Э., Ротанова Ю.Н., Карандаева О.И., Мостовой С.Е., Шиляев П.В. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 3-1. – С. 192-198.

14. Храмшин, В.Р. Анализ интенсивности отказов частотно-регулируемых электроприводов районных тепловых станций при нарушениях электроснабжения [Текст] / Храмшин В.Р., Одинцов К.Э., Губайдуллин А.Р., Карандаева О.И., Кондрашова Ю.Н. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2014. – Т. 14. № 2. – С. 68-79.