авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Продольное и поперечное токоограничение в электрических системах с помощью сверхпроводниковых устройств

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Михеев Павел Александрович

ПРОДОЛЬНОЕ И ПОПЕРЕЧНОЕ ТОКООГРАНИЧЕНИЕ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.14.02 Электростанции

и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Манусов Вадим Зиновьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Целебровский Юрий Викторович кандидат технических наук, доцент Емельянов Николай Иванович
Ведущая организация: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН г. Иркутск.

Защита состоится: «27» ноября 2008 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск-92, пр. Карла Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Тимофеев И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уровень развития энергетической отрасли в большей степени отражает ситуацию в любой развитой стране. В свете поставленных руководством страны задач по удвоению валового внутреннего продукта к 2010 году вопрос о развитии энергетической отрасли занимает одно из ведущих мест в стратегии Российской Федерации. Для достижения энергетической отраслью качественных и количественных показателей, соответствующих возложенным на неё требованиям, необходимо постоянно совершенствовать техническую и теоретическую базы, применять новые технологии.





Проблема координации токов короткого замыкания (КЗ) является чрезвычайно важной в любой электроэнергетической системе (ЭЭС), так как уровень КЗ определяет требование при выборе оборудования, а, следовательно, определяет экономичность и надёжность ЭЭС. Координация токов КЗ осуществляется как путём применения различных токоограничивающих устройств (ТОУ) в фазах электрических сетей – продольное токоограничение, так и изменением связи нейтральной точки электрической сети с заземляющим устройством (режима нейтрали электрической сети) – поперечное токоограничение. Имеется необходимость использования в ЭЭС современных устройств, выполняющих не только возложенную на них функцию, но и органично сочетающиеся с другими элементами ЭЭС, а также позволяющими при их использовании получать положительный эффект, не связанный с основным назначением устройства. В настоящей работе рассматриваются возможности применения устройств, способных быстро изменять своё сопротивление, – сверхпроводниковых ограничителей токов (СОТ) в процессах продольного и поперечного токоограничения в ЭЭС.

Основной целью настоящего исследования является анализ последствий применения СОТ в различных областях ЭЭС с технической и экономической точек зрения.

Для достижения основной цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

  • разработка математической модели электромагнитного переходного процесса при наличии в сети СОТ;
  • определение влияния СОТ на электромеханические переходные процессы в ЭЭС;
  • выявление мест и областей целесообразного применения СОТ в фазах и нейтралях ЭЭС;
  • формирование требований к параметрам СОТ с учётом различных факторов;
  • оценка экономической эффективности и целесообразности применения СОТ в ЭЭС.

Объектом исследования являются сверхпроводниковые ограничители токов различных типов и их параметры (быстродействие, сопротивления в различных режимах работы).

Предметом исследования являются стационарные режимы, а также электромагнитные и электромеханические переходные процессы в ЭЭС при использовании в них СОТ.

Методика исследований предусматривает комплексный анализ существующей практики применения различных мер токоограничения в ЭЭС, а также режимов нейтрали электрических сетей различных классов напряжения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • построена математическая модель, позволяющая описывать электромагнитные процессы при токоограничении с помощью СОТ в произвольный момент времени при учёте инерционности устройства;
  • оценено влияние применения СОТ на электромеханические переходные процессы в ЭЭС, показывающее воздействие установленного СОТ на статическую и динамическую устойчивость электрической системы;
  • предложен комплексный критерий к параметрам СОТ, отражающий влияние устройства на различные аспекты процесса электроснабжения;
  • показаны эффекты, получаемые при применении СОТ в нейтралях электрических систем среднего напряжения;
  • оценены экономически эффективная и экономически целесообразная стоимости СОТ заданных параметров в ценах 2007 года.

Практическая значимость результатов работы. Проведённый комплексный анализ позволил:

  • выявить влияние СОТ на электромагнитные и электромеханические переходные процессы;
  • сформировать комплексное требование к параметрам СОТ с выделением исключительных случаев использования данных устройств;
  • рассмотреть применение СОТ в электрических сетях различного назначения, таких как собственные нужды (СН) электрических станций (ЭС), генераторные распределительные устройства (ГРУ) электрических станций, мощные узловые подстанции, системы электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий;
  • оценить возможность применения СОТ в нейтралях электрических сетей различных классов напряжения;
  • провести технико-экономическое обоснование применения СОТ в ЭЭС.

Достоверность результатов работы основывается на:

  • достаточно полном анализе отечественной и зарубежной практики разработки СОТ различных типов и параметров;
  • математически корректном решении дифференциальных уравнений электромагнитного переходного процесса при удалённых и неудалённых КЗ в условиях предложенной модели СОТ;
  • сопоставлении результатов вычислительных экспериментов, полученных при применении предложенной модели СОТ мгновенных значений токов, а также теплового действия тока при токоограничении с осциллограммами, полученными с использованием полупромышленных образцов СОТ;
  • подробном рассмотрении применяемых в настоящее время методов токоограничения в ЭЭС, а также режимов нейтрали электрических сетей различных классов напряжения;
  • применении существующих нормативных документов, устанавливающих порядок покупки потерь электроэнергии и мощности генерирующими, энергосбытовыми и сетевыми компаниями на оптовом рынке электроэнергии и мощности переходного периода (ОРЭМ);
  • фактических ценах на электрическую энергию, мощность и электрическое оборудование по состоянию на 2007 год.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты исследования обсуждались на: всероссийской научной конференции молодых учёных “Наука. Технологии. Инновации” в г. Новосибирске (НГТУ) 2 – 5 декабря 2004 года; международной научной конференции “Fizika-2005” в г. Баку 7 – 9 июня 2005 года; международной корейско-российской научной конференции “Korus-2005” в г. Новосибирске (НГТУ) 26 июня – 2 июля 2005 года; всероссийской научной конференции молодых учёных “Наука. Технологии. Инновации” в г. Новосибирске (НГТУ) 8 – 11 декабря 2005 года; международной научной конференции “TPE-2006” в г. Анкара 29 – 31 мая 2006 года; всероссийской научно-технической конференции “Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования” в г. Томске (ТПУ) 17 – 19 мая 2006 года; всероссийской научной конференции молодых учёных “Наука. Технологии. Инновации” в г. Новосибирске (НГТУ) 7 – 10 декабря 2006 года; всероссийской научно-технической конференции “Энергетика: экология, надёжность, безопасность” в г. Томске (ТПУ) 6 – 8 декабря 2006 года; межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Информационные технологии, энергетика и экономика” в г. Смоленске 12 – 13 апреля 2007 года; всероссийской научной конференции молодых учёных “Наука. Технологии. Инновации” в г. Новосибирске (НГТУ) 6 – 9 декабря 2007 года; всероссийской научно-технической конференции “Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования” в г. Томске (ТПУ) 12 – 14 мая 2008 года; третьем международном научном форуме по стратегическим технологиям “IFOST-2008” в г. Новосибирске (НГТУ) и г. Томске (ТПУ) 23 – 29 июня 2008 года.

Диссертационная работа представлялась на 80-м заседании международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко “Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики” в г. Иркутске (ИСЭМ СО РАН) 6 – 11 июля 2008 года.

Публикации. Всего опубликованных по теме диссертации 15 работ, из них 4 научных статьи, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 11 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций.

Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит формализация поставленных задач, разработка математических моделей и методов, реализация алгоритмов в программно-вычислительных комплексах, обобщение и анализ результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • математическая модель СОТ, позволяющая моделировать инерционность изменения сопротивления устройства при электромагнитном переходном процессе;
  • анализ влияния использования СОТ на электромеханические переходные процессы при различных параметрах устройств и структуре сети;
  • комплексный критерий к параметрам СОТ и местам их установки в целях одновременного удовлетворения условиям успешного токоограничения, устойчивости питаемой нагрузки и уровня потерь напряжения в нормальном режиме работы;
  • изменение схем нормального режима сетей СН ЭС и ЭС с ГРУ, подстанций и промышленных предприятий в результате применения СОТ;
  • анализ нормальных и аварийных режимов работы при различных схемах включения СОТ в нейтраль электрической сети;
  • обоснование экономически эффективной и экономически целесообразной стоимости СОТ в актуальных ценах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 118 наименований и приложения. Объём работы составляет 198 страниц основного текста, включая 94 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика диссертационной работы, показана ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна, практическая ценность и теоретическая значимость работы, связанная с необходимостью использования в электрических системах устройств ограничения токов КЗ и устройств компенсации емкостного тока замыкания на землю, также представлена структура работы.

В первой главе приведены основные этапы развития исследований в области сверхпроводимости (с описанием важности перехода к высокотемпературной стадии данного явления), а также применения данного явления в различных областях электроэнергетики. Сделано описание современных российских и зарубежных разработок устройств с использованием сверхпроводимости: кабелей, двигателей, генераторов, индуктивных накопителей электрической энергии с указанием технических параметров и достигаемых эффектов. Приводится детальный обзор существующих в настоящее время типов СОТ: резистивного, трансформаторного, выпрямительного и индуктивного, также приводится перечень их основных параметров.

Применению в ЭЭС устройств с использованием явления сверхпроводимости (в том числе и СОТ) посвящены работы И.В. Якимца, К.В. Илюшина, Л.К. Ковелёва, А.Н. Киселёва, В.З. Манусова, А.В. Лоскутова.

Далее сделан обзор основных применяемых в настоящее время методов продольного токоограничения, таких как различные схемные решения, автоматическое и стационарное деления сети, использования трансформаторов и автотрансформаторов с расщеплёнными обмотками низкого напряжения, а также применения различных типов токоограничивающих устройств. Существенный вклад в решение проблем продольного токоограничения, а также сопутствующих этому процессов внесли Б.Н. Неклепаев, В.А. Веников, П.С. Жданов, С.А. Ульянов, В.А. Шунтов.

Затем даётся анализ мировой и российской практики режимов заземления нейтрали сетей напряжения 6 – 35 кВ, который показал, что в настоящее время в России применяются практически все возможные режимы заземления нейтрали за исключением глухозаземлённого. Существенное значение в проблеме выбора заземления и режима нейтралей, а также сопутствующих вопросах перенапряжений и защиты имеют работы А.И. Шалина, Г.А. Евдокунина, К.П. Кадомской, Ю.В. Целебровского.

В заключение главы проводится анализ применения СОТ в условиях действующих в настоящее время нормативных актов, регламентирующих участие генерирующих, сетевых и энергосбытовых компаний в условиях ОРЭМ.

Вторая глава посвящена особенностям продольного токоограничения в электроэнергетических системах. Основная часть главы связана с построением математической модели электромагнитного переходного процесса при КЗ в электрической сети при токоограничении с помощью СОТ. Предлагаемая математическая модель предполагает изменение сопротивления СОТ по отношению к внешней сети при КЗ с заданной инерционностью. Предлагается задавать инерционность изменения сопротивления СОТ от времени t через экспоненциальную функцию (что с определённой степенью допущения соответствует полученным на опытных образцах СОТ осциллограммам):

(1)

где LСП – индуктивность СОТ в сверхпроводящем состоянии;

LПР – индуктивность СОТ в проводящем состоянии;

TL – постоянная времени реагирования СОТ.

а) б)

Рис. 1. Безынерционная а) и предлагаемая инерционная б) модель СОТ

Такое представление СОТ позволяет в явном виде применять дифференциальные уравнения электромагнитного переходного процесса, что даёт возможность максимально точно определить его решение в произвольный момент времени.

При рассмотрении удалённого КЗ в результате решения неоднородного линейного дифференциального уравнения для тока в произвольный момент времени получена зависимость:

, (2)

где

;

;

RК – активное сопротивление внешней сети;

LК – индуктивность внешней сети;

C – постоянная интегрирования.

Результаты имитации процесса токоограничения КЗ с помощью СОТ по представленной модели в тестовой электрической цепи при различных постоянных времени реагирования СОТ представлены на рис. 2.

Время, с

–––– без токоограничения, · · · · при наличии СОТ с TL = 2 мс,

· · при наличии СОТ с TL = 10 мс, при наличии СОТ с TL = 20 мс

Рис. 2. Результирующий ток в тестовой цепи с токоограничением

с помощью СОТ и без него при различных TL

Для определения термического воздействия тока КЗ определяется его действующее значение и тепловой импульс.

При рассмотрении неудалённого КЗ в результате решения неоднородного линейного дифференциального уравнения для ЭДС в произвольный момент времени получена зависимость:

, (3)

где ;

;

Xd, Xd'' – индуктивное и индуктивное сверхпереходное сопротивления синхронной машины;

Td'' – сверхпереходная постоянная времени синхронной машины.

Заключительная часть главы посвящена исследованию влияния использования СОТ на электромеханические переходные процессы в ЭЭС.

Увеличение предела передаваемой мощности при использовании СОТ как альтернативы традиционных реакторов является очевидным вследствие уменьшения совокупного сопротивления связи в нормальном режиме работы ЭЭС, как следствие, улучшается и статическая устойчивость данной системы. При анализе статической устойчивости учитывались активные сопротивления элементов электрической сети.

Анализ влияния СОТ на динамическую устойчивость проводился сравнением дополнительных площадок ускорения/торможения А на рис. 3.

При применении СОТ однократного действия (не переходящего в пределах времени протекания электромеханического переходного процесса вновь в сверхпроводящее состояние при устранении аварийного режима в сети) в зависимости от режима может наблюдаться как улучшение, так и ухудшение динамической устойчивости.

а)

б)

Рис. 3. Ухудшение а) и улучшение б) динамической устойчивости при использовании СОТ

На рис. 3: PI – доаварийная характеристика мощности без СОТ;

PIСОТ – доаварийная характеристика мощности с СОТ;

PII – аварийная характеристика мощности с СОТ и без СОТ;

PIII – послеаварийная характеристика с СОТ и без СОТ.

При наличии СОТ многократного действия будет наблюдаться улучшение динамической устойчивости (рис. 4).

Рис. 4. Улучшение динамической устойчивости

при использовании СОТ многократного действия

На рис. 4: PIII – послеаварийная характеристика без СОТ.

PIIIСОТ – послеаварийная характеристика с СОТ.

Результаты исследования динамической устойчивости подтверждаются результатами моделирования применения СОТ в многомашинной системе в программно-вычислительном комплексе Mustang.



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.