Моделирование процессов при коммутациях батарей статических конденсаторов

Page 1

Page 2

Моделирование процессов
при коммутациях батарей
статических конденсаторов

процессе

эксплуатации

батарей

статической

компенсации

схеме

управляемым

шунтирующим

реактором

на

ПС

110/35/6

кВ

Новогодняя

филиала

АО

Тюменьэнерго

Ноябрьские

электрические

сети

выявлена

проблема

частого

выхода

из

строя

конден

саторов

входящих

состав

батарей

статической

компенсации

Дефекты

по

изменению

емкости

более

выявлялись

ходе

планово

предупредительных

испытаний

батареи

статье

представлены

результаты

моделирования

процесса

включения

отключения

батарей

статических

конденсаторов

(

БСК

)

схеме

управляемым

шунтирующим

реак

тором

(

УШР

Рассмотрены

различные

варианты

схем

при

включениях

БСК

для

опреде

ления

наиболее

тяжелого

режима

влияние

момента

включения

на

амплитуду

перена

пряжений

Также

показано

влияние

повторных

пробоев

выключателе

на

амплитуду

перенапряжений

при

отключении

БСК

Лопатин

начальник Службы изоляции и защиты от перенапряжений филиала АО «Тюменьэнерго»

Ноябрьские электрические сети

ВВЕДЕНИЕ

Батареи статических конденсаторов (БСК) устанав-

ливаются на подстанциях для компенсации реактив-

ной мощности. Это позволяет увеличить напряжение

на шинах на 3–4%, снизить потери в сетях, скоррек-

тировать перетоки энергии.

При изменении режима БСК приходится часто

включать или отключать. В отдельных случаях ча-

стота коммутаций может достигать 1–2 раз в сутки.

Каждая коммутация БСК сопровождается пере-

ходным процессом, который может привести к пере-

напряжениям. Главной причиной перенапряжений

при включении БСК является перезаряд в колеба-

тельном режиме емкости С конденсаторов через ин-

дуктивность

(индуктивность ошиновки и собствен-

ная индуктивность БСК) от начального значения

напряжения до устанавливающегося напряжения,

зависящего от мгновенного напряжения источника

электродвижущей силы (ЭДС) в момент включения.

Частота колебаний переходного процесса может ока-

заться во много раз больше частоты источника пита-

ния [1].

Процессы при отключении сосредоточенной ем-

кости по своей физической природе похожи на про-

цессы отключения ненагруженной линии. До отклю-

чения напряжение на емкости:

–

j x



— =





—,

–

j x



–



где



=1/√

— собственная частота схемы,



— ча-

стота источника.

Обычно



много больше



, то есть



. До-

пустим, что емкостной ток достаточно велик, так

что среза тока в выключателе не происходит, и дуга

гаснет в момент естественного перехода тока через

ноль. Напряжение при этом проходит через свое

максимальное значение, и после обрыва тока на-

пряжение на емкости сохраняет свою величину. ЭДС

источника при этом меняется по косинусоидальному

закону. Разность этих напряжений представляет со-

бой восстанавливающееся напряжение на контактах

выключателя, которое через полпериода достиг-

нет 2



. Если это напряжение окажется выше, чем

электрическая прочность промежутка между расхо-

дящимися контактами выключателя, то произойдет

повторное зажигание в этом промежутке. Такое по-

вторное зажигание может быть не одно, что приведет

к эскалации перенапряжений на емкости [2].

В настоящее время, с появлением быстродей-

ствующих выключателей, одним из основных мето-

дов борьбы с коммутационными перенапряжениями

является управляемая коммутация. Управляемая

коммутация представляет собой способ устране-

ния вредных переходных процессов посредством

управляемых по времени операций коммутации.

Команды включения или отключения на выклю-

чатель задерживаются таким образом, чтобы за-

мыкание или разделение контактов происходили

в оптимальный момент времени по отношению

к фазовому углу [3].

Устройства управляемой коммутации для вы-

ключателей, установленных в цепи шунтирующих

конденсаторных батарей и фильтров подавления

гармоник, обычно используются для управления

включением. При этом выключателем управляют

так, чтобы напряжение на емкостную нагрузку пода-

валось при нулевом напряжении источника, что по-

зволяет исключить вредные переходные процессы.

По мнению производителей выключателей

и устройств управляемой коммутации (УУК), отклю-

чение конденсаторных батарей обычно не приводит

к каким-либо значительным переходным процессам.

Однако в особых случаях тяжелых режимов специ-

альные модели УУК можно применять для контроли-

руемого отключения выключателей конденсаторных

батарей.

ОБОРУДОВАНИЕ

Page 3

СИНТЕЗ

МОДЕЛИ

Для предварительной оценки амплитудно-частотных

характеристик перенапряжений при коммутациях

БСК было выполнено моделирование части схемы

ПС 110/35/6 кВ «Новогодняя» филиала АО «Тюмень-

энерго» Ноябрьские электрические сети. Моделиро-

вание проводилось в программе ATP-EMTP.

Особенность схемы в том, что на шинах установ-

лено две батареи конденсаторов и управляемый

шунтирующий реактор (УШР). Коммутации выпол-

нялись для одной батареи конденсаторов, и она

моделировалась подробно как последовательно-па-

раллельное соединение отдельных конденсаторов

(с учетом собственной индуктивности конденсато-

ров), дополнительно учитывалась индуктивность ба-

лансировочного трансформатора тока. Вторая БСК

моделировалась сосредоточенной емкостью. УШР

моделировался сосредоточенной индуктивностью

и активным сопротивлением для учета потерь. Для

анализа применялась максимально упрощенная

модель с целью получения приближенных значений

величин для проведения экспериментальных изме-

рений. Полученная схема приведена на рисунке 1.

ВКЛЮЧЕНИЕ

ПРИ

РАЗЛИЧНОЙ

КОНФИГУРАЦИИ

СХЕМЫ

Для начала необходимо определить, при какой кон-

фигурации схемы возникают наибольшие напряже-

ния. Для этого моделировались следующие случаи:

включение 1БСК при отключенных 2БСК и УШР (рису-

нок 2); включение 1БСК при включенном УШР; вклю-

чение 1БСК при включенных 2БСК и УШР (рисунок 3);

включение 1БСК при включенной 2БСК. Замыкание

контактов выключателя происходило одновременно

в момент максимума напряжения на фазе «А». Ре-

зультаты моделирования приведены в таблице 1.

На осциллограммах желтым цветом показано

напряжение на фазе «А», зеленым — на фазе «В»,

красным — на фазе «С».

Таким образом, моделирование показало, что

наибольшую амплитуду имеют перенапряжения

при включении одной БСК на шины — 1,9



. Одна-

ко подключение БСК на шины, на которые уже под-

ключена вторая батарея конденсаторов, приводит

к переходному процессу с большой частотой, поряд-

ка 14,3 кГц, что также может оказывать негативное

влияние на изоляцию оборудования.

Необходимо отметить, что, согласно [4], даже та-

кие сравнительно слабо полярные жидкости, какими

являются тщательно очищенные электроизолиру-

ющие масла (или в нашем случае пропитывающая

жидкость конденсатора), обнаруживают снижение

пробивного напряжения при переходе от нулевой ча-

стоты к высоким частотам примерно на 30%.

ВКЛЮЧЕНИЕ

РАЗЛИЧНЫЕ

МОМЕНТЫ

ВРЕМЕНИ

Рассмотрим подробно режим, при котором возникают

наибольшие перенапряжения: включение одной БСК

на шины. Для этого оценим, как влияет фаза включе-

ния напряжения на амплитуду перенапряжений.

Рассмотрим следующие случаи: включение

в максимум напряжения на фазе «А», одновремен-

ное замыкание контактов (рисунок 2); включение

в нуле напряжения на фазе «А», одновременное за-

мыкание контактов; замыкания каждой фазы в мо-

мент нулевого напряжения на шинах (рисунок 4).

Рис

. 1.

Схема

для

моделирования

коммутационных

про

цессов

БСК

Табл. 1. Амплитудно-частотные параметры пере-

напряжений при различных схемах включения БСК

Схема

включения

Амплитуда

напряжения

на фазе «А», кВ

Частота

переходного

процесса, Гц

1БСК

193

495

1БСК+УШР

190

500

1БСК

УШР

2БСК

180

14 300

1БСК+2БСК

182

14 300

Рис

. 2.

Осциллограммы

напряжений

при

включении

БСК

отключенных

БСК

УШР

Рис

. 3.

Осциллограммы

напряжений

при

включении

БСК

включенных

БСК

УШР

Рис

. 4.

Напряжение

на

БСК

при

замы

кании

всех

фаз

ноле

напряжения

№

2 (53) 2019

Page 4

Результаты расчетов сведены в таблицу 2. Кроме

напряжения контролировался ток через выключа-

тель и ток через единичный конденсатор.

Как и ожидалось, амплитуда перенапряжений

зависит от момента замыкания контактов выклю-

чателя. Наибольшие перенапряжения получаются

при замыкании в максимуме напряжения на шинах.

При замыкании в нуле напряжения перенапряже-

ния практически не возникают.

ОТКЛЮЧЕНИЕ

БСК

Амплитуда перенапряжений при отключениях

БСК в большей мере зависит от наличия повтор-

ных пробоев межконтактного промежутка выклю-

чателя.

Если повторного пробоя нет, то при отключении

перенапряжений не возникает (рисунок 5). Если воз-

можен хотя бы один повторный пробой, то амплиту-

да перенапряжений может достигать значительной

величины, до 2,65



(на рисунке 6 приведено только

напряжение на фазе «А»).

ВЫВОДЫ

1. Кратко рассмотрены процессы, приводящие

к возникновению перенапряжений, при различных

коммутациях батареи статических конденсаторов.

2. Предварительные расчеты хорошо согласуются

с ожидаемыми результатами. Полученные данные не

противоречат физике процесса возникновения комму-

тационных перенапряжений.

3. При включении наибольшие

перенапряжения получаются при

замыкании в максимуме напряже-

ния на шинах. Включение 1БСК на

шины с уже подключенной 2БСК

приводит к переходному процессу

высокой частоты, что может не-

гативно сказаться на прочности

изоляции.

4. Отключение приводит к пе-

ренапряжениям только при воз-

никновении повторного пробоя

межконтактного промежутка вы-

ключателя.

Табл. 2. Напряжение и ток при включении БСК в различные моменты времени

Режим

Амплитуда напряжения, кВ

Амплитуда тока через выключатель /

амплитуда тока через единичный конденсатор, А

ф. «А»

ф. «В»

ф. «С»

ф. «А»

ф. «В»

ф. «С»

Включение БСК в момент мак-

симального значения синусоиды

напряжения в фазе «А»

193

145

148

1757 / 876

987 / 493

Включение БСК в момент перехо-

да синусоиды напряжения через

нулевое значение в фазе «А»

107

182

174

329 / 165

1517 / 758

1576 / 788

Отдельные измерения значений

напряжения и тока при включении

каждой фазы при нулевом значе-

нии синусоиды напряжения

108

104

111

390 / 195

285 / 150

390 / 208

Рис

. 5.

Осциллограммы

напряжения

при

отключении

БСК

Рис

. 6.

Осциллограмма

напряжения

фазы

при

отключении

БСК

повторным

пробоем

Литература
1. Богатенков И.М., Бочаров Ю.Н.

и др. Техника высоких напряже-

ний. Учебник для вузов. Под ред.

Г.С. Кучинского. СПб.: Энергоатом-

издат, 2003. 608 с.

2. Техника высоких напряжений. Под

общей ред. Д. В. Разевига. Изд. 2-е,

перераб. и доп. М.: Энергия, 1976.

488 с.

3. Controlled Switching, ABB Buyer`s

and Application Guide. Document

ID 1HSM 954322-01en. Edition 3,

2009, 54 p.

4. Сканави Г.И. Физика диэлектриков.

Область сильных полей. М.: Госу-

дарственное издательство физ.-

мат. литературы, 1958. 907 с.

ОБОРУДОВАНИЕ

Обращаем ваше внимание, что стоимость

подписки на журнал «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача

и распределение» на 2019 год осталась без изменений:

• год (шесть номеров)—

11 250

руб

• полгода (три номера) —

5 625

руб

• один выпуск —

1 875

руб

Цена указана с учетом НДС.

Форма оплаты — безналичный расчет.

подписка – 2019

Доставка осуществляется Почтой России простой бандеролью.
Стоимость доставки включена в стоимость подписки.
Чтобы подписаться на журнал, заполните форму заявки

на подписку на сайте

www.eepir.ru

или направьте заявку

по электронной почте:

[email protected]

Телефон редакции:

+7 (495) 645-12-41

Подробную информацию об издании

ищите на нашем сайте:

www.eepir.ru

Оригинал статьи: Моделирование процессов при коммутациях батарей статических конденсаторов

Читать онлайн

В процессе эксплуатации батарей статической компенсации в схеме с управляемым шунтирующим реактором на ПС 110/35/6 кВ «Новогодняя» филиала АО «Тюменьэнерго» Ноябрьские электрические сети выявлена проблема частого выхода из строя конденсаторов, входящих в состав батарей статической компенсации. Дефекты по изменению емкости более 5% выявлялись в ходе планово-предупредительных испытаний батареи. В статье представлены результаты моделирования процесса включения и отключения батарей статических конденсаторов (БСК) в схеме с управляемым шунтирующим реактором (УШР). Рассмотрены различные варианты схем при включениях БСК для определения наиболее тяжелого режима и влияние момента включения на амплитуду перенапряжений. Также показано влияние повторных пробоев в выключателе на амплитуду перенапряжений при отключении БСК.