В статье автор оценивает эффективность ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях мегаполисов с использованием асинхронизированных электромеханических преобразователей частоты.
Ключевые слова : ток, электрические сети, асинхронизированный электромеханический преобразователь, частота, короткое замыкание.
Энергетические системы электрического снабжения мегаполисов быстрыми темпами расширяются под влиянием экономических и социальных факторов [1, с. 23]. За последние годы сильно увеличилось потребление электрической энергии, ввиду значительного ускорения строительства объектов различного назначения, модернизации и увеличения парка электрического транспорта, а также постоянного роста числа потребителе [2, с. 6]. Так, например, с 2011 население Москвы увеличилось на 1,5 млн человек, а также введено 150 новых станций метро и сдано огромное количество новостроек [2, с. 20]. Такие изменения отражаются на количестве потребляемой электроэнергии и, соответственно, приводят к увеличению токов короткого замыкания в различных частях энергосистемы города [3, с. 11]. В большей степени это увеличение сказывается на силовом оборудовании понижающих подстанций схемы, а также электродвигателях собственных нужд и предприятий. Обеспечение устойчивой и надёжной работы энергосистемы — важнейшая задача, выполнение которой обеспечивает соответствие государственным стандартам [4, с. 41], в которых также описаны и основные способы ограничения токов короткого замыкания в системе.
Согласно [5, с. 27], наиболее уязвимыми местами энергосистемы с большими токами короткого замыкания являются проходные подстанции, обеспечивающие электроснабжение одного или нескольких районов. Токи КЗ в случае аварий на прилежащих к ним объектах могут достигать десятков килоампер.
Примером одного из уязвимых мест может служить участок сети 220 кВ от ПС Лесная до ПС Никулино, расположенный на юго-востоке города Москвы (Рис.1).
Из рис.1 видно, что по данному участку сети осуществляется электроснабжение города по сетям 220 кВ. Также, следует заметить, что ПС «Хованская» и ПС «Никулино» по данным АИИСКУЭ за 2020 год, расположены в районах со значительным потреблением электроэнергии. Совокупность данных фактах показывает возможность появления сверхтоков короткого замыкания.
Токи КЗ на данном участке обусловлены большим количеством потребителей различной мощности и состава агрегатов и варьируются зависимости от времени появления аварии и удаленности подстанции от места аварии.
Рис. 1. Участок сети 220 кВ от ПС Лесная до ПС Никулино
В качестве возможных решений для ограничения токов КЗ (а также и для уменьшения потерь активной мощности в схеме) можно применять метод разделения потоков мощности в схеме, описанный в [6, с. 24]. Но такой вариант решения, может привести к недопустимой перегрузке остальных линий связи города с внешней генерацией, поэтому не рекомендуем к использованию. Также широко применяются линейные реакторы, но при большом количестве потребителей, обуславливающих увеличенный рабочий ток таких приборов, есть вероятность появления неприемлемого падения напряжения, не соответствующего ГОСТ [7, с. 58].
Принципиально новым решением этой проблемы является ограничение токов короткого замыкания в электрических сетях мегаполисов с помощью вставок переменного тока, созданных на основе асинхронизированных электромеханических преобразователей частоты (АСЭМПЧ) [8, с. 36].
В данной статье предлагается оценить и обосновать целесообразность установки таких электрических машин в энергосистемах крупных городов на общем примере, учитывающем специфику данного оборудования.
Рассмотрим принцип реализации АСЭМПЧ. Он состоит из двух асинхронизированных машин [9, с. 31], валы которых жестко соединены между собой таким образом, чтобы оставить возможность их разъединения (рис.2).
Обмотки статоров обеих машин подключены к различным частям системы, образуя разделение энергосистемы как показано на рис. 3.
Рис. 2. Конструкция АСЭМПЧ
Рис. 3 Схема включения АСЭМПЧ в сеть
Особенность работы такой системы заключается в том, что первая машина (СМ1) раскручивается до рабочей частоты вращения совместно со второй (СМ2) по принципам, описанным в [учебник пуска генераторов]. Далее обе машины включаются в сеть, причём СМ2, работая в двигательном режиме потребляя мощность из системы 2 (С2), вращает ротор СМ1, работающей в генераторном режиме и соединённой с первой системой (С1). Также возможны обратные режимы с передачей мощности из С1 в С2. Такой принцип работы показывает, что системы при использовании АСЭМПЧ электрически разделены (пока АСЭМПЧ в работе и соединительная перемычка отключена) и их связь осуществляется только посредством передачи механического момента вращения. Поэтому система может быть представлена как две, одна из которых работает на двигательную нагрузку, а другая получает электроэнергию от генератора, равного по мощности двигателю (рис.4). Агрегат состоит из двух синхронных машин, поэтому на рис.4 СМ2 обозначена как СД.
Рассмотрим положительный эффект от внедрения вышеописанной системы на общем примере, характерном для проходной подстанции 220 кВ, работающей на нагрузку 400 МВт (подключение поровну с обеих сторон) и разделяющей 2 части энергосистемы, смоделированном в программном комплексе «EnergyCS ТКЗ» [10]. Мощность АСЭМПЧ примем 200 МВт. Таким образом Р генСМ1 = Р нагрСМ2 = 200 МВт. Схемы модели до и после внедрения, а также результат расчёта КЗ на шинах С1 представлены на рис.5 и 6.
Рис. 4 Принципиальная схема энергосистемы
Рис. 5. Токи КЗ в модели до внедрения АСЭМПЧ
Из результатов видно, что при использовании АСЭМПЧ в конкретной модели суммарный ток короткого замыкания на шинах С1 сокращается почти на 20 % (с 50,6 кА до 41,6 кА). Причём, стоит заметить, что ток КЗ от С2 снизился боллее, чем в 10 раз (с 10,75 кА до 1,56 кА), что говорит о высокой эффективности применяемых средств.
Рис. 6. Токи КЗ в системе после внедрения АСЭМПЧ
В итоге, можно отметить:
- Установка асинхронизированных электромеханических преобразователей частоты на проходных подстанциях позволяет отделить энергосистему большого города от соседней с ним генерации, тем самым снижая токи короткого замыкания рядом с местом установки почти на 20 %, что значительно снижает разрушающее воздействие токов КЗ на силовое оборудование.
- Помимо ограничения токов КЗ, устройство АСЭМПЧ может выполнять задачи регулирования напряжения и реактивной мощности.
- Оно значительно проще в производстве, чем вставки постоянного тока. В связи с чем, оно получила большее распространение, чем ВПТ.
- К недостаткам внедрения можно отнести высокую стоимость производства и сложность в настройке релейной защиты и автоматики при работе в различных режимах.
Литература:
- Кучеров Ю. Н., Утц С. А., Ярош Д. Н. Современные тенденции развития электроснабжения мегаполисов с целью повышения управляемости режимов работы энергосистемы //Электричество. — 2017. — №. 6. — С. 4–15.
- РосСтат [Электронный ресурс] / URL: https://rosstat.gov.ru/ (дата обращения: 24.02.2022).
- Фролов О. В., Чемборисова Н. Ш. Повышение эффективности расстановки устройств ограничения токов короткого замыкания в сетях мегаполисов //Новое в российской электроэнергетике. — 2011. — №. 4. — С. 33–40.
- ГОСТ 28249–93. Короткие замыкания в электроустановк
- Почаевец В. С. Электрические подстанции. — 2012.
- Ziryukin V., Solopov R., Shatalov R. The Program for Finding the Optimal Power Transit Separation Place of a Ring Electric Power Grid Based on Artificial Neural Networks //2021 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). — IEEE, 2021. — С. 558–563.
- ГОСТ 32144–2013. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
- Горюшин Ю. А. и др. Проблема токов короткого замыкания в московской энергосистеме и пути ее решения //Энергия единой сети. — 2013. — №. 1. — С. 50–55.
- Дряхлова Я. Е., Певнев Д. А. Асинхронизированные машины: конструкция, возбуждение, регулирование //Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. ВГ Шухова. — 2017. — С. 5155–5159.
- Официальный сайт EnergyCS [Электронный ресурс] / URL: https://www.energycs.ru/ (дата обращения: 24.02.2022).
