База знаний

Замена выключателей 500 кВ и борьба с апериодической составляющей

Выключатель — контактный коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного времени и отключать токи при нормированных анормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание.

Воздушный выключатель — это выключатель, в котором дуга образуется в потоке воздуха высокого давления.

Элегазовый выключатель — это выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в элегазе (шестифтористой сере SF6).

Элегазовый выключатель прорывается сквозь воздушный

Сможете ли вы ответить на вопрос — «что вас ждёт впереди» — в начале крупного проекта? Наверное, абсолютной уверенности в этом нет ни у кого. В этой статье мы поведаем свой опыт работы над проектом по замене выключателей сверхвысокого напряжения 500 кВ, воздушных — на элегазовые. В ней вы узнаете о главной проблеме, с которой есть вероятность столкнуться, а также о путях выхода из неё.

СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Немного теории о специфике работы линий сверхвысокого напряжения.
  2. Возникновение апериодической составляющей в сети 500 кВ.
  3. Способы борьбы с апериодической составляющей тока в сети 500 кВ.
  4. Использование устройств преднамеренной неодновременной коммутации полюсов (УПНКП).
  5. Оснащение выключателей предвключаемыми резисторами.
  6. Включение резисторов в нейтраль ШР.
  7. Включение ВЛ с меньшим числом реакторов (или без них).
  8. Итоговое решение.

1. Немного теории о специфике работы линий сверхвысокого напряжения

К линиям сверхвысокого напряжения принято относить воздушные и кабельные линии электропередачи свыше 220 кВ. В нашей стране таковыми являются ЛЭП 330, 500, 750 и 1150 кВ.

Одним из побочных эффектов при передаче энергии на уровне сверхвысокого напряжения является величина зарядной мощности, генерируемая ёмкостью ЛЭП. Поэтому возникает необходимость в её компенсации. И компенсирующими устройствами чаще всего служат шунтирующие реакторы (ШР).

Типовое подключение реактора в линию (по схеме «четырёхугольник») показано на рисунке.

Электрическая схема ПС 500 кВ

Подсчитано, что для компенсации 100% зарядной мощности линии 500 кВ длиной 175 км требуется один ШР мощностью 180 МВАр. Если линия длиннее, то возможна установка двух реакторов, на обоих концах линии.

Электрическая схема линии 500 кВ

Но добившись «хорошей» компенсации, возникают серьёзные проблемы при включении такой линии в работу, так как выключателям приходится бороться с апериодической составляющей переменного тока. Эти проблемы были не такими явными в эпоху воздушных выключателей (в силу особенностей конструкции), но встали очень остро в эпоху элегазового оборудования.

2. Возникновение апериодической составляющей в сети 500 кВ

В нормальном режиме ток имеет форму синусоиды, периодичность которой, как известно, составляет 1/50 секунды (для 50 Гц нашей сети). Апериодическая составляющая вносит свои коррективы в эту синусоиду, что может негативно сказаться на работе современного оборудования.

Осциллограмма

Осциллограмма наглядно показывает влияние апериодической переходной составляющей тока на коммутацию фаз «А», «В» и «С» в нулевой момент напряжения фазы «А». Синусоида тока в фазе «А» значительное время не переходит через «ноль», а из этого следует, что включение (или отключение) её цепи может произойти с задержкой.

У элегазовых выключателей автокомпрессионного типа имеется особенность: во время горения дуги она в некоторой степени блокирует поток элегаза через сопло выключателя. Горящая дуга характеризуется очень высокой температурой и мощным излучением тепла и начинает нагревать элегаз в ограниченном газовом объёме. Таким образом, давление внутри объёма возрастает и приводит к разрыву полюса выключателя при длительной блокировке потока элегаза, причиной которой может стать медленно затухающая апериодическая составляющая. Поэтому не учитывать этот переходный процесс при замене выключателей нельзя.

В нашем проекте к подстанции 500 кВ присоединены две линии разной длины. К одной линии (назовём её ВЛ № 1, меньшей протяжённостью, 105 км) подключён один ШР, к другой (ВЛ № 2, протяжённостью 355 км) — два ШР, размещённые с противоположных концов линии. Замене подлежат шесть выключателей: 4 линейных и 2 реакторных.

Электрическая схема ПС 500 кВ

Расчёты показали, что при включении линейных выключателей 500 кВ в различных режимах (плановом симметричном и несимметричном, ОАПВ, ТАПВ) опасных перенапряжений не происходит, но апериодическая составляющая тока не позволяет безопасно включить линии с подключёнными к ним реакторами! Нужно искать пути решения проблемы.

3. Способы борьбы с апериодической составляющей тока в сети 500 кВ

Известны следующие способы борьбы:

  1. использование устройств преднамеренной неодновременной коммутации полюсов;
  2. оснащение выключателей предвключаемыми резисторами;
  3. включение резисторов в нейтраль ШР;
  4. включение ВЛ с меньшим числом реакторов (или без них).

4. Использование устройств преднамеренной неодновременной коммутации полюсов (УПНКП)

Теория. При одновременном замыкании полюсов выключателя апериодическая составляющая в токе через выключатель будет отсутствовать в том полюсе выключателя, который замыкается в момент максимума напряжения (см. осциллограмму фазы А на рисунке ниже). В двух других полюсах момент замыкания отвечает меньшему значению напряжения и, следовательно, апериодическая составляющая в токе через выключатель будет присутствовать.

Осциллограмма

Если коммутировать полюса неодновременно, т.е. в момент максимума напряжения на каждой фазе, то апериодическая составляющая будет отсутствовать во всех полюсах.

Практика. В настоящее время точность управляемой коммутации недостаточно высока. Поэтому технология УПНКП не может использоваться в роли основного мероприятия по снижению апериодической составляющей.

5. Оснащение выключателей предвключаемыми резисторами

Теория. Расчёты нашей сети показали, что предвключаемый резистор R с сопротивлением 800 Ом и временем его нахождения в цепи вспомогательных контактов (ВК), равном 10 мс, позволяет осуществлять безопасные для выключателя коммутации в плановых и аварийных режимах.

Осциллограмма

Но резисторы полностью не избавляют ток в выключателе от наличия апериодической составляющей. Это объясняется тем, что предвключаемый резистор, введённый в цепь на первом этапе коммутации и обеспечивающий затухание апериодической составляющей, на втором этапе выводится из цепи и переходный процесс повторяется, хоть и в меньших масштабах.

Практика. Отечественный производитель выключателей 500 кВ заявляет о своей готовности оснастить оборудование резисторами необходимых параметров, но опыта подобной реализации нет, и аттестации Россетей такое оборудование пока не имеет.

6. Включение резисторов в нейтраль ШР

Теория. При включении трёх резисторов RN с сопротивлением 300 Ом каждый в нейтраль ШР затухание апериодического тока в выключателе происходит за существенно более короткое время (см. схему включения ниже). Однако, в случае возникновения КЗ в неблагоприятный момент времени, ток в выключателе ШР стремится к нулевому значению по апериодическому закону, не имея нулей в своём составе. Это означает, что в выключателе в нейтрали ШР будет протекать точно такой же ток. После подачи команды на отключение выключателя в нейтрали ток в цепи ШР не прервётся, а значит, ШР не отключится. Таким образом, описанное усложнение схемы считаем безосновательным.

Электрическая схема

7. Включение ВЛ с меньшим числом реакторов (или без них)

В нашем случае определено, что короткую линию (ВЛ № 1) необходимо вводить в работу без реактора, длинную (ВЛ № 2) — отключая один из них.

Фото шунтирующего реактора 500 кВ

Для внедрения этого способа необходимы:

7а) разработка специального алгоритма работы устройств РЗА линий

или

7б) перенос ШР на шины.

В обоих случаях исключено прямое включение максимально скомпенсированных линий в работу. Только первый вариант усложняет работу релейной защиты в процессе эксплуатации, а второй — требует реконструкции шин ОРУ 500 кВ с монтажом новых порталов на этапе строительства.

8. Итоговое решение

На совместном совещании с заказчиком выбран вариант реализации : с усложнением алгоритма коммутации оборудования.

Кратко, на примере короткой линии, это значит:

  • отключение выключателя реактора производится одновременно с отключением выключателя линии;
  • при плановом включении линии первым включается линейный выключатель со стороны более мощной системы, вторым — выключатель на противоположном конце, третьим — выключатель реактора;
  • при КЗ на линии устройства РЗА ВЛ действуют, в том числе, на отключение реактора;
  • при успешном АПВ линии через 1 с подаётся команда на включение реактора, при неуспешном АПВ — включение реактора запрещается.

ВЫВОД

Линии электропередачи сверхвысокого напряжения требуют компенсации зарядной мощности. Компенсирующими устройствами чаще всего служат шунтирующие реакторы. А индуктивность шунтирующего реактора вкупе с ёмкостными токами линии приводит к возникновению апериодической составляющей. Что сулит проблемы при коммутациях современными элегазовыми выключателями.

В настоящем материале приведены способы решения подобных проблем. И выбран оптимальный из них на примере реально выполненного проекта.

Вопрос возникновения апериодической составляющей тока является не единственным в случаях с реализацией проектов такого уровня напряжения. В комплексе с заменой выключателей может понадобиться замена трансформаторов тока, не отвечающих современным требованиям, или ёмкостных трансформаторов напряжения на индуктивные, для исключения феррорезонанса в сети. Подобные вопросы требуют отдельной статьи. Но именно апериодическая составляющая создаёт наибольшую головную боль энергетикам, принимающим в эксплуатацию современное коммутационное оборудование.

Обратиться к нам за подобным решением можно через форму обратной связи на сайте

РЕКОМЕНДУЕМ К ПРОЧТЕНИЮ

  • Энергетик
  • 02 февраля 2024

Расчёт ёмкостных токов замыкания на землю и выбор ДГР

Подробнее

  • Энергетик
  • 30 марта 2023

Электрические подстанции. Важные правила, интересные особенности и полезные лайфхаки

Подробнее

Мировая энергетика

Обратите внимание на наши новые интерактивные карты мировых источников энергии

Перейти
Пройди тестирование —
проверь свои знания в сфере
энергетики
Пройти тест
Лучшее, что Вы можете сделать для нас, выразив благодарность, — это подписаться на наш телеграм-канал
Обратная связь через Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
©2020-2025. Энергетик.ру — все права защищены