Оценка влияния мощности короткого замыкания на показатели качества электроэнергии и выбор электрооборудования в системах электроснабжения

Оригинал статьи: Оценка влияния мощности короткого замыкания на показатели качества электроэнергии и выбор электрооборудования в системах электроснабжения

Ключевые слова: мощность короткого замыкания, системы электроснабжения, искажающие нагрузки, схема замещения, стандарты

Читать онлайн

В работе рассмотрены различные трактовки понятия мощности короткого замыкания. Приведены стандарты ряда стран, в которых устанавливается процедура для оценки допустимости присоединения к точке общего присоединения рассматриваемого типа преобразователя в зависимости от мощности короткого замыкания в этой точке. Рассмотрены меры по повышению мощности короткого замыкания на примере трехуровневой системы электроснабжения одного из предприятий. Выявлены взаимосвязи между значениями мощности короткого замыкания и показателями качества электроэнергии при использовании энергосберегающих трансформаторов с меньшим напряжением короткого замыкания, а также при замене участка, проложенного воздушной линией на кабельную вставку.

Белей В.Ф., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой энергетики ФГБОУ ВО «КГТУ»
Коротких К.В., преподаватель, аспирант кафедры энергетики ФГБОУ ВО «КГТУ»

Величина мощности короткого замыкания (S_кз) в точке общего присоединения (ТОП) системы электроснабжения (рисунок 1) в значительной степени определяет возможности работы электрооборудования, подключенного к данной точке, значения показателей качества электроэнергии при подключении к ней искажающих нагрузок [1, 2].

В стандарте [3] приводится выражение для определения S_кз:

где I⁽³⁾_кз — ток трехфазного короткого замыкания в ТОП, кА; U_ном — номинальное напряжение основной частоты в ТОП, кВ.

В работах [4, 5] и других используется следующее выражение:

где z_{системы} — сопротивление от точки подключения нагрузки (z_{нагрузки}) до точки в электроэнергетической системе, где ее мощность по сравнению с мощностью нагрузки является бесконечно большой (S_{системы} = ∞)

С позиций физического подхода определение мощности короткого замыкания можно трактовать как мощность, которую электроэнергетическая система способна выдать в данной точке общего присоединения. При этом ее величина ограничивается сопротивлением системы (сопротивлением короткого замыкания) (рисунок 1).

*Рис. 1. Схема для оценки мощности короткого замыкания в ТОП при подключении искажающей нагрузки*

Ниже приведен ряд нормативных документов, характеризующих взаимосвязь мощности короткого замыкания с выбором мощности электрооборудования.

Одним из основных источников гармонических искажений в системах электроснабжения являются полупроводниковые преобразователи. Стандарты ряда стран устанавливают процедуру для оценки допустимости присоединения к ТОП преобразователя.

Во Франции в документе «Указания по определению допустимости установки мощных преобразователей» установлены нормы на допустимые искажения кривой напряжения (таблица 1), которые могут быть внесены потребителем, работающем при отключении остальных потребителей [4].

Пределы установлены из условия, что K_U в ТОП не превышает 5%.

В таблице 2 на основе расчетов, выполненных с учетом оценки индивидуального вклада потребителей и эффекта от других источников, представлены наименьшие допустимые значения относительной мощности короткого замыкания (S_кз/S_пр) для электросетей во Франции.

В зарубежной практике при проектировании систем электроснабжения в условиях роста искажающих нагрузок используется в качестве руководства документ IEEE 519-2022 «Практические рекомендации и требования по контролю гармоник в электрических сетях» [5], в котором определены допустимые токи высших гармоник, протекающие в сетях различных классов напряжения (120 В÷69кВ, 69кВ÷161 кВ, свыше 161 кВ), в зависимости от отношения тока короткого замыкания I_кз к току нагрузки I_нг в точке общего присоединения (таблица 3).

В качестве примера по оценке мощности короткого замыкания на показатели качества электроэнергии и выбор оборудования ниже приведен расчет для трехуровневой (110 кВ; 6 кВ; 0,4 кВ) системы электроснабжения одного предприятия. Система представлена источником бесконечной большой мощности по сравнению с нагрузкой, подключенной к ТОП (рисунок 2).

Параметры схемы замещения системы электроснабжения определялись по выражениям (4)–(6). Результаты расчетов представлены на рисунке 2.

Параметры трансформатора с расщепленной обмоткой [6]:

Параметры воздушных и кабельных линий электропередачи [6]:

Параметры распределительных трансформаторов [6]:

Сопротивления контактных соединений для шинопроводов, коммутационных аппаратов и кабелей на рисунке 2 выбраны исходя из предложений, отраженных в ГОСТ 28249-93 [7].

*Рис. 2. Схемы системы электроснабжения предприятия: электрическая (а) и замещения (б)*

Замена распределительных трансформаторов на более эффективные с высоким уровнем энергоэффективности (Х3К3 или Х4К3) аморфные, а также с меньшим значением напряжения короткого замыкания u_к, обуславливает повышение мощности короткого замыкания на шинах низкого напряжения подстанции (рисунок 3) и не сказывается в заметном виде на сопутствующей замене коммутационной аппаратуры данного класса напряжения (рисунок 4).

Рис. 3. Обобщенные данные по мощности короткого замыкания при замене устаревших трансформаторов ТМ-400 и ТМ-1000 на энергоэффективные трансформаторы российского производства той же мощности

Рис. 4. Кривые, показывающие изменение во времени (с) периодической, апериодической составляющих, ударного тока (кА) трехфазного короткого замыкания при изменении S_кз на шине низкого напряжения с отметки в 6,35 МВ·А (а) до 7,34 МВ·А (б)

На рисунке 5 приведены результаты расчета, характеризующие возможные диапазоны изменения мощности короткого замыкания S_кз на стороне низкого напряжения системы электроснабжения при применении линейки энергоэффективных распределительных трансформаторов различной мощности с различным напряжением короткого замыкания u_к.

Рис. 5. Диапазоны изменения мощности короткого замыкания на шинах низкого напряжения системы электроснабжения при применении линейки трансформаторов различной мощности с различным u_к

Замена участка ВЛ марки АС-150/24 на кабельную вставку марки той же длины, но с более низкими значениями по активному и реактивному сопротивлениям (таблица 4 и рисунок 6) позволит: добиться повышения мощности короткого замыкания в узловых точках сети (рисунок 7); снизить суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения KU в ТОП за счет снижения сопротивления участка сети (таблица 5) [8]:

Рис. 6. Зависимости удельных активных (r0) и реактивных (x0) сопротивлений воздушной и кабельной линий от сечения (F)

Рис. 7. Обобщенные данные по мощности короткого замыкания на шинах исследуемого участка системы электроснабжения при замене участка, проложенного воздушной линией на кабельную вставку

ВЫВОДЫ

1. В связи с ростом доли искажающих (нелинейных, несимметричных, резкопеременных) нагрузок в системах электроснабжения и снижения эмиссии высших гармонических составляющих тока в питающую сеть, стандарты ряда стран устанавливают процедуру оценки допустимости присоединения к точке общего присоединения рассматриваемого типа преобразователя в зависимости от мощности короткого замыкания в этой точке.

2. Предложены меры по повышению мощности короткого замыкания на примере трехуровневой системы электроснабжения одного из предприятий.

3. Выявлены взаимосвязи между значениями мощности короткого замыкания и показателями качества электроэнергии при использовании энергосберегающих трансформаторов с меньшим напряжением короткого замыкания, а также при замене участка, проложенного воздушной линией на кабельную вставку.

ЛИТЕРАТУРА

Шакарян Ю.Г., Лазарев Г.Б., Сокур П.В., Дементьев Ю.А. Обеспечение нормированной мощности короткого замыкания — ключ к решению проблемы неудовлетворительного качества электроэнергии при слабых связях потребителей с энергосистемой // Энергия единой сети, 2019, № 6(49). С. 38–54.
Дмитриев М.В. Токи короткого замыкания в электрических сетях, содержащих современные кабельные линии 6–500 кВ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2023, № 3(78). С. 82–86.
ГОСТ 26522–85. Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200011405.
Арриллага Дж., Брэдли Д., Броджер П. Гармоники в электрических системах М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Standard 519–2022. URL: https://standards.ieee.org/ieee/519/10677/.
СТО ДИВГ-058-2017. Расчет токов коротких замыканий и замыканий на землю в распределительных сетях. Методические указания. Стандарт организации ООО «НТЦ «Механотроника», 2017. 40 с.
ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. URL: https://docs.cntd.ru/ document/1200004630.
Белей В. Ф., Коротких К. В. О необходимости контроля и нормирования гармоник тока // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2024, № 6(87). С. 44–51.