11.3. Режимы работы элементов линии 500кВ на примере электропередач от Токтогульской ГЭС

11.3.1. Режимы шунтирующих реакторов ТГЭС

Согласно проекту на Токтогулской ГЭС предусмотрены шунтирующие реакторы на стороне500 кВ для компенсации емкостных (зарядных) мощностей линий 500 кВ. Были установлены однофазные реакторы типа РОДЦ-60000/500-У1. Суммарная мощность трех фаз составляет 180 МВАр.

На подстанции «Фрунзенская» установлены 2 группы реакторов суммарной мощностью 360 МВАр, на подстанции «Лочин» 1 группа реакторов мощностью 180 МВАр.

Реакторы включаются и отключаются в зависимости от уровня напряжения на шинах станции и подстанций, т.е. они используются только в двух режимах «включено» и «отключено». При превышениях напряжения ШР включаются и, наоборот, при его снижениях отключаются. Таким образом, ведется дискретное регулирование уровня напряжения. Например, включение шунтирующего реактора на Токтогулской ГЭС в среднем снижает напряжение на стороне 500 кВ поданным летних и зимних замеров за 10 лет примерно на 8 кВ. На подстанции «Фрунзенская» включение одной или обеих групп реакторов снижает напряжение на 8-12 кВ. При отключении реакторов соответственно на столько же повышается напряжение на узле.

Согласно замерам на п/ст. «Фрунзенская» с 1996 по 2004г.г. и на Токтогулской ГЭС с 1994 по 2002г.г. перегрузок реакторов не было. Они загружались номинальной мощностью или меньше. Только один раз трехфазная группа реакторов на ТГЭС загружалась до 190 МВАр, т.е. всего на 5,5% больше номинальной мощности. Изменения напряжения на шинах станции и подстанций мало влияли на загрузку реакторов (Таблица 11.1 и 11.2). Анализ режимов работы ТГЭС за 10 лет показывает, что ШР в основном компенсировали реактивную мощность, вырабатываемую генераторами станции. Имел место парадокс, на генераторах вырабатывают реактивную мощность и тут же его компенсируют. Вряд ли здесь есть резон. Шунтирующие реакторы, вместо того, чтобы выполнять свои функции – компенсировать реактивную мощность линий, компенсируют реактивную мощность, вырабатываемую генераторами. В период с июля 2003 года по май 2004 года ТГЭС работала без шунтирующих реакторов. Анализ уровней напряжения показал незначительное повышение среднего напряжения по сравнению с предыдущими годами, но оно находилось на нормальном уровне в 2003г. -525 кВ, в 2004 -528 кВ. Уровень напряжения на п/ст. «Фрунзенская» в эти годы оказался даже ниже, чем по сравнению с предыдущими годами.

Сравнение уровней напряжения с включенными реакторами и без них показал, что уровни напряжения мало отличаются друг от друга. Напрашивается вывод, что применение ШР на ТГЭС малоэффективно для компенсации реактивной мощности ЛЭП 500 кВ.

Одним серьезным отрицательным фактом является частые отключения и включения шунтирующих реакторов. Как мы выше отметили, в нормальном режиме не претерпевают перегрузок. Но, тем не менее, не так редко реакторы выходят из строя. Причиной оказались переходные процессы, возникающие при коммутациях. При включениях и отключениях возникают коммутационные перенапряжения, которые вызывают большие динамические усилия в реакторе, за счет которых они выходят из строя.

За время после пуска Токтогулской ГЭС имели место ряд повреждений шунтирующих реакторов. Реактор фазы «А» вышел из строя в 1994 году за счет взрыва. Реактор фазы «В» вышел из строя в 2003 году. Имели место взрыв и возгорание масла. Реактор фазы «С» по результатам обследования 2004 года признан негодным к эксплуатации. В нем были выявлены многочисленные дефекты. Имел место выход из строя реактора на п/ст. «Фрунзенская». Выше нами было показано, что в нормальных режимах реакторы не претерпевали перегрузок, ни при каких режимах работы генераторов, линий электропередач. Можно с уверенностью сделать вывод, что причиной повреждения реакторов никак не могут быть какие – либо перегрузки в нормальных режимах. Некоторые предполагают, что причиной их выхода из строя является износ изоляции и старение масла. Однако периодические анализы масла, испытания изоляции не показывали каких- либо серьезных отклонений качества масла и изоляции.

Причиной выхода из строя реакторов являются коммутационные перенапряжения, возникающие при включении и отключении реакторов. При включении реактора с индуктивностью L, возникает колебательный контур с линиями электропередач с емкостью С. Согласно теории, происходит обмен энергией между элементами с емкостью и элементами с индуктивностью. Между магнитными и электрическими полями возникает колебательный процесс. Переток энергии между емкостями и индуктивностями вызывает переходный процесс. Переходные токи, возникающие при включениях и отключениях, вызывают в реакторе большие электродинамические усилия. Электродинамические силы вызывают ослабление прессующих шпилек обмотки, нарушения изоляции стягивающих шпилек, нарушение связи между прессующими вертикальными пластинами, обрыв проводов шлейфа главных выводов обмотки. Осмотры реактора с вскрытием активной части выявляют другие многочисленные дефекты: повсеместное вспучивание изоляции между катушками секции обмотки, выгорание межвитковой изоляции, замыкание стяжных шпилек вертикальных шунтов, смещение экрана на нижней плите вследствие этого ослабление крепежных болтов (согласно акту обследования от 2003 г.). Все эти повреждения являются следствием воздействия электродинамических сил. Эти повреждения вызывают повышенный нагрев, а также приводят к пробою изоляции. Причиной повреждения реакторов является не старение изоляции обмоток и окончания срока службы, а коммутационные перенапряжения.

По конструкции реакторы аналогичны силовым трансформаторам. Однако силовые трансформаторы имеют намного меньший параметр потока отказов. При одинаковом сроке службы трансформаторов и реакторов, на Токтогулской ГЭС и подстанциях «Фрунзенская» и «Лочин» каких-либо повреждений на трансформаторах не происходило, в то время как имели место неоднократные повреждения в реакторах. Причиной повреждений реакторов является частые включения и отключения реакторов. Возникающие при коммутациях переходные токи создают большие электродинамические силы внутри реактора, за счет которых происходят различные механические разрушения или повреждения в магнитопроводе, в крепежных деталях и в обмотках.

Возникающие при коммутациях перенапряжения представляют опасность и для другого оборудования, таких как кабель 500 % и прочие. При стремлении защитить кабель и прочее оборудование от повышений напряжений в 2,5-3 %, установкой шунтирующих реакторов, искусственно создаются перенапряжения, превышающие номинальное в несколько раз. Факты возникновения перенапряжений подтверждаются пробоями искровых промежутков вентильных разрядников. Пробивное напряжение вентильного разрядника РВМК-500П составляет от 660 до 760 кВ, импульсное пробивное напряжение – 1070 кВ. За период 2000 – 2004 годы на Токтогулской ГЭС разрядники на каждой фазе пробивались от 45 до 54 раз.

При включении выключателя реактора, возникающие переходные токи по данным осцилографирования доходили до 2100 А (10,5 номинала), что вызывает катастрофические динамические удары в обмотках реактора, которые приводят к витковым замыканиям, обрывам элементов обмотки и необратимому выходу реактора из строя. Факт возникновения перенапряжений при операциях выключателями также подтверждается срабатываниями вентильных разрядников на п/ст. «Фрунзенская». При проведении около 400 операций выключателями реактора, разрядник фазы «В» сработал 108 раз. Было предложено поменьше производить операции с выключателями реакторов. Предложено в летнее время при малых нагрузках держать реакторы включенными, а зимнее время отключенными, и не производить ежесуточные отключения и включения, что означает включение и отключение производить всего 2 раза в год. Возможен полный отказ от использования шунтирующих реакторов на Токтогулской ГЭС. Обоснованием такого предложения является очень малый приток реактивной мощности от Л-509 (Токтогульская ГЭС — Фрунзенская) , так в 2004 г. ее приток составил в среднем всего 6,35 МВА и малая выработка ее на самой станции 56,6 МВАр. Эта выработанная реактивная мощность идет к п/ст. «Лочин», которая там востребована для поддержания напряжения. Основной приток реактивной мощности, генерируемая на линиях, идет к п/ст. «Фрунзенская».

Использование реакторов на Токтогулской ГЭс противопоказано с точки зрения возникновения коммутационных перенапряжений при включении и отключении шунтирующих реакторов. Коммутационные перенапряжения более опасны для кабелей 500 кВ и прочего оборудования, чем небольшие повышения напряжения на 2-3%. Повышения напряжения при отключенных реакторах на Токтогулской ГЭС находились в пределах нормы. Нормы утверждены Циркуляром № Ц-01-95 (Э) «О допустимых эксплуатационных повышениях напряжения промышленной частоты на электрооборудовании 500-750 кВ ЕЭС России, утвержденного Департаментом науки и техники РАО ЕЭС России от 15.03. 1995 г. Нами предлагается отказаться от использования шунтирующих реакторов на электростанциях. При их включении снижение напряжения автоматически компенсируется выработкой реактивной мощности генераторами станции. Реальные замеры показывают, что ШР мало отсасывают зарядную мощность линии и очень мало влияют на уровень напряжения в системе.

11.3.2. Нагрузки, режимы линий электропередач от ТГЭС и баланс реактивных мощностей на них

Проведен анализ нагрузок линий 500кВ от Токтогулской ГЭС. Измерения показывают сильную зависимость реактивной мощности на линии от величины потока активной мощности (Таблица 11.2.1), величина перетока реактивной мощности вдоль линии изменяется, сток реактивной мощности в линии ТГЭС-«Фрунзенская» происходит в обе стороны, причем в сторону п/ст. «Фрунзенская» идет основная часть а в сторону ТГЭС идет очень незначительная ее часть, в линии ТГЭС- «Лочин» реактивная мощность течет только в сторону п/ст. «Лочин». Имеет место отток небольшой реактивной мощности от ТГЭС в сторону п/ст. «Лочин».

В течение суток приток реактивной мощности к шинам ТГЭС по линии «ТГЭС – Фр» меняется от 48 до 76 МВАр, средние значения в 2000-2004г.г. – от 6,35 до 46,4 МВАр, причем ее приток к ТГЭС за этот период все время уменьшалось (табл. 11.2.1).

Таблица 11.2.1

Приток РМ к.	2000г.	2001г.	2002г.	2003г.	2004г.
п/ст. «Фрунзе»	99,2	104,85	132,5	143,45	148,4
к ТГЭС	46,4	39,9	40,2	32,8	6,35
Q_c_ум, МВАр	145,6	144,75	172,7	176,25	154,75

Общая длина двух линий составляет 385 км. Длина линии ТГЭС – п/ст. «Фрунзенская» рана 211 км, длина линии ТГЭС – «Лочин» — 174 км. Расчетная зарядная (емкостная ) мощность их составляет 346,5 МВАр, при принятой удельной зарядной мощности 0,9 МВАр/км, согласно литературным данным. Чем больше линии загружаются, тем большая часть зарядной мощности компенсируется индуктивной мощностью самих линий.

Определенная корреляционная связь просматривается между расчетными и замеренными значениями.

В целом анализ баланса реактивных мощностей по линиям Л-509 и Л – 504 показывает, что приток реактивной мощности к ТГЭС от линии Л – 509 незначительный и имеет тенденцию к уменьшению, постоянно идет отток реактивной мощности от ТГЭС в линию Л – 504 (табл. 11.2.2).

Таблица 11.2.2

День, время

Р_ТГЭС,

МВт

Q_ТГЭС, МВАр

Р_{п/ст. Фрунзе},

МВт

Q_{п/ст.Фрунзе},

МВАр

Q_сум,

МВАр

5-1

6-1

8-1

28-2

2-2

1-2

1-4

2-4

1-6

3-7

3-8

4-9

28-16

29-10

28-10

28-9

12-20

31-8

103

147

176

205

249

279

293

308

352

411

455

513

543

557

660

-28

-76

-21

-42

-28

-35

-28

-14

-35

-28

-14

133

148

197

212

238

251

292

330

364

417

477

502

504

602

210

136

197

241

200

218

136

218

200

192

166

123

161

154

102

120

238

212

211

262

242

228

253

160

232

235

220

173

151

168

161

130

134

Подсчитаны средние значения реактивных мощностей за год на Л – 509 (табл. 11.2.3), откуда видно, что приток средней реактивной мощности к ТГЭС составляет от 6,35 до 46,4 МВАр, наблюдается снижение притока. Основная часть реактивной мощности идет к п/ст. «Фрунзенская». Измеренная генерируемая мощность на Л – 509 составляет от 144,75 до 176,25 МВАр.

Таблица 11.2.3

2000г.

2001г.

2002г.

2003г.

2004г.

Q_{ТГЭС-Л-509}

(приток к ТГЭС)

Q_{п/ст. «Фр.»}

(приток к п/ст. Фр.)

Генерируемая

РМ линии

46,4

99,2

145,6

39,9

104,85

144,75

40,2

132,5

172,7

32,8

143,45

176,25

6,35

148,4

154,75

Передаваемая на п/ст. «Лочин» реактивная мощность всегда поддерживает необходимый уровень напряжения на этой подстанции. При отключении линии Л – 504 сильно снижается напряжение на подстанции.

11.3.3. Режимы синхронных генераторов ТГЭС в режиме потребления реактивной мощности.

В Кыргызской энергосистеме накоплен некоторый опыт перевода гидрогенераторов в режим недовозбуждения. Несколько лет генераторы Токтогулской ГЭС использовались как потребители реактивной мощности. При переводе генераторов Токтогулской ГЭС в режим недовобуждения использована неудачная тепловая характеристика. Она не была похожа на характеристики других гидрогенераторов этого же типа, снятых как в заводских, так и в условиях эксплуатации. Перевод генераторов этой станции в режим недовозбуждения был использован при выходе из строя шунтирующих реакторов. Для потребления реактивной мощности в 60 МВАр генераторы, мощностью 300МВт, загружались активной мощностью всего в 20 МВт. Нами была подвергнута сомнению такая практика использования генераторов. Такой режим работы увеличивал выработку ресурса рабочего колеса радиально-осевых турбин, поэтому было рекомендовано пересмотреть такой режим работы. По данным одного замера при переводе генераторов в режим недовозбуждения с потреблением 180 МВАр, напряжение на п/ст. «Фрунзенская» была на уровне 528-529 кВ (с 1 до 4 часов). С 20 до23 часов в таком режиме находился всего один генератор с потреблением реактивной мощности в 20-40 МВАр, однако напряжение на п/ст. «Фрунзенская» было в пределах 512-525 кВ. Колебания напряжения соответствовали режиму работы электрической системы (с1 до 4 часов имели место провалы нагрузки, с20 до23 часов пики нагрузки). Нагрузка генераторов реактивной мощностью почти не влияет на уровень напряжения.

Отрицательной стороной применения режима недовозбуждения является частые включения и отключения агрегатов. Ежедневно вводились и выводились в такой режим 3-4 генератора. Исследования АО «ЛМЗ» (г. Санкт – Петербург) показали, что выработка ресурса значительно зависит от количества пусков и остановов турбин.

Проведенные нами исследования показали, что принятый режим недовозбуждения генераторов для регулирования напряжения в энергосистеме имеют сильную отрицательную сторону – повышенный износ лопастей турбин, появление трещин, повреждения их поверхностей за счет очень малой загрузки и частых пусков и остановов гидроагрегатов. Нами было предложено пересмотреть такой режим, определить допустимые величины потребления реактивной мощности при их большей загрузке активной мощностью. В последующие годы при консультации с заводом – изготовителем выяснилось, что гидрогенераторы Токтогулской ГЭС можно загружать реактивной мощностью в 60 МВАр даже при нагрузке активной мощностью до 180 МВт.

Выбранный режим перевода генераторов в режим недовозбуждения нужно считать очень неудачным. Выход из строя рабочих колес на таких мощнейших гидротурбинах чреват очень большими затратами на их замену.

Нужно отметить, что перевод генераторов в принятый режим потребления реактивной мощности малоэффективно. Такой режим почти не влияет на уровень напряжения в электрической системе.

Содержание главы:

ГЛАВА 11. УПРАВЛЕНИЕ УРОВНЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В УЗЛЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ГЭС И КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Содержание книги:

Статьи и книги по теме:

11.2. Расчеты уровней напряжения на примере линии «Токтогульская ГЭС — п/с Фрунзенская»

Эта линия выполнена в основном проводами 3хАС-300, на высокогорных участках применены 3хАС-400 и 3хАС-500, их протяженность небольшая. За активное сопротивление примем сопротивление поводов 3хАС-300, которое равно R₀=0,033 Ом/км, индуктивное сопротивление Х₀=0,31 Ом/км.

Токтогульская ГЭС выдает свою мощность на напряжении 500 кВ двумя линиями на подстанции «Лочин» (Андижан) и «Фрунзенская (Чалдовар). Для компенсации зарядной мощности линий 500 кВ на ОРУ-500 кВ Токтогульской ГЭС и на конечных подстанциях установлены шунтирующие реакторы РОДЦ-60000.500-У1, мощность каждой группы 180 МВАр. Длина линии «Токтогульская ГЭС-Лочин» составляет 174 км, а «Токтогульская ГЭС-Фрунзенская» — 211 км.

Для регулирования напряжения на конечных подстанциях и на ГЭС по мере необходимости включают и отключают шунтирующие реакторы. Реакторы нерегулируемые, поэтому отсутствует возможность плавного регулирования напряжения. Регулирование напряжения происходит дискретно. Например, при включении или отключении группы однофазных реакторов на подстанции «Фрунзенская» напряжение меняется на 8-12 кВ.

Колебание напряжения происходят за счет изменения нагрузки в течение суток, в течение года. При изменении величины тока в линии меняется уровень напряжения в конце линии.

На подстанции «Фрунзенская» не используются устройства регулирования напряжения на автотрансформаторах (РПН), чтобы не вывести их из строя.

Напряжение в начале линии поддерживается на уровне U=525 кВ.

Расчеты произведем для резко отличающихся режимов работы линии, во первых, когда линия сильно недогружена Р=0,25Р_нат, во вторых, когда линия перегружена. Натуральная мощность для данной линии составляет Р_нат=900мВт. Активное сопротивление линии R=R₀* l = 211*0,033=6,963 Ом, индуктивное сопротивление Х=Х₀*l=211*0,31=64 Ом.

В случае сильного недогруза, напряжение на конце линии становится больше, чем в начале. Для того, чтобы уменьшить напряжение в конце линии можно снизить напряжение на выводах генератора на 5% (до15кВ). Напряжение на высокой стороне при этом составит 500кВ.

Во втором случае при перегрузке линии напряжение на конце линии сильно уменьшается. Чтобы это уменьшение не было очень большим, напряжение на шинах станции можно поднять до U = 550кВ, соответственно на выводах генераторов до 16.5кВ (на 5%).

По предложенной нами методике расчета по балансу реактивных мощностей определены уровни напряжения на конце линии.

Режим малой нагрузки.

а) Напряжение на шинах станции постоянно.

U₁=525кВ. (U_г=15,75кВ). Р=0,25Р_нат=0,25*900=225мВт.

На линии генерируется емкостная реактивная мощность.

Q_C₁=U²*b=525²*7,68*10^-4=211,7мВАр.

Индуктируется индуктивная реактивная мощность.

Q_L₁=3*I²*х=3*0,286²*64=15,76мВАр.

где:

Суммарная реактивная мощность

Q _S= Q_C₁-Q_L₁= 211,7- 15,7=196 МВАр

При cos =0.866, S =259.8 МВА, sin =0,5; U =454.6кВ, U_p₁ =262.5кВ, U_a₂ = 451.1кВ, Q₁ = 130.0 МВАр, Q₂ = 326 МВАр, U_p₂ = U_p₁ =415.7кВ. . Напряжение на конце линии будет равно U₂ =613.4 кВ. Для снижения напряжения включена одна группа шунтирующих реакторов в конце линии. В этом случае реактивная мощность на конце линии снизится до 146 МВАр, соответственно снизится реактивная составляющая напряжения до 278.2 кВ и напряжение на конце уменьшится до 530.0 кВ, что выше допустимого напряжения. При включении второй группы реакторов напряжение снизится до 470.65кВ. Это напряжение недопустимо мало. Лучше регулировать напряжение конца путем изменения напряжения в начале линии. Регулируя ток возбуждения, например, уменьшив его на 5%, до 500 кВ, при этом уменьшится емкостная реактивная мощность линии, увеличится индуктивная реактивная мощность, в целом уменьшается реактивная мощность в конце линии и соответственно напряжение до 496.0 кВ, что всего на 1% меньше требуемого.. Достаточно включение двух групп реакторов в конце линии, чтобы добиться удовлетворительного уровня напряжения и не надо включать реакторы в начале линии. Управление уровнем напряжения компенсацией реактивной мощности в сочетании с регулированием напряжения на ГЭС даёт лучший эффект.

б). Напряжение на шинах станции уменьшено до 500кВ. Q_c = 192 МВАр, Q_l =17.3МВАр, Q =174.7МВАр, =3.6кВ, U_a₂ =451кВ, Q₂ =304.7МВАр, Up₂ =382.7кВ и U₂ =591.5кВ. Включена одна группа реакторов. В этом случае Q₂ =124.7MBAp, U_p₂ = 244.85kB и U₂ = 513.2kB. При снижении напряжения в начале линии оказывается достаточно включать всего одну группу реакторов.

Режим перегруза.

а) Напряжение на шинах станции равно номинальному U₁=525кВ, Р=1,5Р_н =1350 МВт, I₁=1,65 кА; Q_C= 211,7 МВАр, Q_L = 522.5 МВАр, = -310.5 МВАр, соs =0.9, sin =0.436, U_a =20.0kB, U_a₂ = 452.5kB, U_p₂=165.9kB, U₂ =482.0kB

Напряжение в конце линии получается ниже номинального примерно на 5% (номинальное напряжение в конце линии должно быть равным 500 кВ).

б) Напряжение на шинах станции увеличено на 5% до 550 кВ (U_Г=16,5 кВ), тогда при той же нагрузке I₁=1,42 кА, Q_C₂=232,3 МВАр, Q_L₂=385.6 МВАр, =281,7 МВАр.. Q = -153.3MBAp, U_a₁=495kB, U_a =17.2kB, U_p₁ =239.7kB, U_p₂ =209.7kB и U₂ =521.8kB. Расчеты показали, что напряжение в начале достаточно увеличить до 535кВ, при этом напряжение в конце составит 501.8кВ.

Раньше нами приведена наибольшая нагрузка на линию 500кВ с проводами 3АСх300 по условиям нагрева Р_нб = 1560 МВт. При такой нагрузке увеличением напряжения в начале линии в допустимых пределах можно добиться удовлетворения уровня напряжения на конце линии.

Как видно из расчетов при малых нагрузках вопрос управления уровнем напряжения с помощью неуправляемых шунтирующих реакторов легче решать в сочетании с управлением напряжения с помощью ГЭС.

Управление уровнем напряжения с помощью ГЭС особенно ценно при работе перегруженной линии. Ввиду отсутствия компенсации индуктивной мощности (синхронных компенсаторов или батарей конденсаторов) управление уровнем напряжения в узле энергосистемы с помощью ГЭС, является лучшим решением.

Эффект регулирования напряжения на конце линии, путем его изменения в начале, усиливается изменением генерирующих на линии реактивных мощностей. При уменьшении напряжения снижается емкостная мощность, одновременно повышается индуктивная мощность на линии за счет увеличения тока, в итоге уменьшается суммарная реактивная мощность. При малых нагрузках на линии за счет этого повышается эффект снижения напряжения на конце линии (при малых нагрузках необходимо снижать напряжение на конце линии).

Как было рассмотрено выше (гл. 6) режим работы линии сильно зависит от ее нагрузки. В зависимости от нее меняется баланс реактивных мощностей в сверхвысоковольтной линии. При малых нагрузках требуется компенсация емкостной мощности, что на практике делается с помощью нерегулируемых шунтирующих реакторов (ШР). При больших нагрузках требуется компенсация индуктивной мощности, чего до настоящего времени на сверхвысоковольтных линиях не производится, хотя разработана соответствующая техника — синхронные компенсаторы достаточно больших мощностей.

Содержание главы:

ГЛАВА 11. УПРАВЛЕНИЕ УРОВНЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В УЗЛЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ГЭС И КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Содержание книги:

Статьи и книги по теме:

11.1 Использование ГЭС для регулирования напряжения в энергосистеме

Нами предлагается для регулирования напряжения в системе использовать возможности генераторов ГЭС. Они имеют автоматическое регулирование напряжения, которое позволяет плавно и в определенных пределах изменять напряжение. На основе выше предложенной методики расчета режимов высоковольтной линии (гл. 6), расчетным путем показана возможность регулирования напряжения на узловой подстанции системы путем небольших изменений напряжения, в пределах допустимых величин, на выводах генератора.

Обычно на шинах электрических станций постоянно поддерживается номинальное напряжение. Напряжение регулируется и поддерживается с помощью генераторов станции. В генераторах напряжение регулируется изменением тока возбуждения. Для этого они снабжены автоматическим устройством АВР (автоматическое регулирование возбуждения). Одной из задач АВР является поддержание на требуемом уровне (в определенных пределах) напряжения в узлах энергосистемы и у потребителей.

Поддержание напряжения на должном уровне энергосистемы можно достигать рациональным ведением режима работы дежурным персоналом, полным использованием реактивной мощности генераторов и более глубоким использованием устройств автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов.

Оптимальные условия для поддержания нужных уровней напряжения в системе, работающей на уже имеющемся оборудовании, определяется с помощью ЭВМ по специальным программам.

Работа персонала по поддержанию уровня напряжения сводится к воздействию на установочные устройства АВР, для этой цели меняют коэффициент трансформации установочного автотрансформатора.

Обычно гидрогенераторы рассчитывают так, чтобы при изменении напряжения на выводах обмотки статора в пределах номинального они могли длительно развивать номинальную мощность при номинальных значениях частоты и коэффициента мощности. Это достигается тем, что индукция в различных участках магнитопровода машины и плотность тока в обмотках выбираются с учетом возможного их повышения в указанных пределах.

Со снижением напряжения, повышение нагрева от потерь в меди обмотки статора вследствие увеличения в ней тока компенсируется снижением нагрева из-за уменьшения потерь в сердечнике статора. При уменьшении напряжения ниже 95% номинального увеличение тока статора свыше 105% номинального обычно не допускается, даже если при этом температура обмотки статора остается ниже предельно допустимого значения. Это объясняется тем, что в машинах с косвенным воздушным охлаждением перепад температуры в изоляции обмотки статора пропорционален квадрату тока и чрезмерное увеличение градиента этого перепада может привести к снижению срока службы изоляции.

Гидрогенераторы обычно рассчитывают также из условия их длительной работы при повышенном напряжении до 110% номинального включительно. Однако ввиду увеличения потерь в стали, вызываемых ими местных нагревов, а также роста тока и нагрева обмотки возбуждения сохранить при этом номинальную мощность не удается. Обычно при повышении напряжения свыше 105% номинального кажущаяся мощность гидрогенератора снижается примерно на 2 % с каждым процентом повышения напряжения. Работа при напряжении более 110% номинального не допускается. Сказанное выше иллюстрируется данными таблицы 11.1

Таблица 11.1

U/U_ном	I/I_ном	S/S_ном	U/U_ном	I/I_ном	S/S_ном
0,95	1.05	1.00	1.03	0.97	1.00
0,96	1.04	1.00	1.04	0.96	1.00
0,97	1.03	1.00	1.05	0.95	1.00
0,98	1.02	1.00	1.06	0.925	0.98
0,99	1.01	1.00	1.07	0.90	0.96
1,00	1.00	1.00	1.08	0.87	0.94
1,01	0.99	1.00	1.09	0.845	0.92
1,02	0.98		1.10	0.82	0.90

Расчеты показывают, что при использовании этих допустимых отклонений напряжения на выводах генератора, можно ощутимо изменить ее значение на конце линии. Так при малых нагрузках на линии, уменьшение напряжения в начале линии с помощью генераторов станции, позволяют в меньшей степени использовать шунтирующие реакторы, реже включать их в работу, требуется меньшая их мощность.

При больших нагрузках повышение напряжения в начале линии позволяет добиваться необходимого уровня напряжения в ее конце.

Определенную трудность представляет подведение напряжения узловой подстанции к воспринимаемому органу АВР.

Нами предлагается схему автоматического регулирования напряжения генераторов ГЭС дополнить схемой управляющей дискретно (можно и плавно) коэффициентом трансформации установочного автотрансформатора (АТ) в схеме АВР. Измерительным органом будут включенные параллельно трансформаторы тока в цепи укрупненных блоков. При малой нагрузке установочное устройство автоматически включает отводы АТ с меньшей уставкой, с ростом тока устройство включает последовательно отводы с большей уставкой. При дискретном управлении достаточно переключения производить между 5 отводами -5%; -2,5%; 0%; +2,5% и +5%. Такое регулирование можно производить вручную. Данная рекомендация относится к случаю одновременной работы всех генераторов станции. В каждом случае, видимо, нужно решать задачу индивидуально.

Расчеты показывают, что при использовании допустимых отклонений ( 5%) напряжения на выводах генератора можно ощутимо изменить ее значение на конце линии. Регулирование напряжения с помощью генераторов позволяет в меньшей степени использовать шунтирующие реакторы, реже включая их в работу.

При больших нагрузках повышение напряжения в начале линии позволит добиваться необходимого уровня напряжения в ее конце.

Эффект регулирования напряжения на конце линии, путем его изменения в начале, усиливается изменением генерирующей и потребляемой на линии реактивных мощностей. При уменьшении напряжения снижается емкостная мощность, одновременно повышается индуктивная мощность на линии за счет увеличения тока, в итоге уменьшается суммарная реактивная мощность. При перегрузках линии стоит задача поддержание достаточного уровня напряжения. При перегрузках линии предлагается с помощью генераторов станции повысить напряжение в начале линии. За счет повышения емкостной и снижения индуктивной мощности уменьшается суммарная реактивная мощность, соответственно уменьшается падение напряжения на линии. За счет этого повышается эффект повышения напряжения на конце линии.

Расчеты дают следующие результаты: при понижении напряжения суммарная реактивная мощность уменьшается примерно на 20%, а при увеличении – она увеличивается на примерно на 20% . Предложенный способ регулирования уровня напряжения в узле энергосистемы требует минимальные затраты и будет иметь достаточно хороший эффект.

Содержание главы:

ГЛАВА 11. УПРАВЛЕНИЕ УРОВНЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В УЗЛЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ГЭС И КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Содержание книги:

Статьи и книги по теме:

12.2. Перспективы развития энергетической системы Кыргызстана

Ранее разработанный проект выдачи мощности Камбаратинской ГЭС №2 предусматривает строительство двухцепной ЛЭП – 500 кВ, длиной 46,5 км и врезки ее в линию «Токтогулская ГЭс – п/ст. Фрунзенская», линии 500 кВ от подстанции до пос. «Кемин», длиной 216 км. Согласно этому проекту необходимо построить ОРУ – 500 кВ на Камбаратинской ГЭС №2, расширить п/ст. «Фрунзенская», построить п/ст. «Кемин» и линии электропередачи 500 кВ , общей длиной 309 км. Кроме того необходимо связать п/ст. 500 кВ «Кемин» с имеющейся п/ст. 220 кВ и построить две ЛЭП -220 кВ, длиной 75 км, для дополнительной выдачи мощности в Балыкчи (Рис. ). Такой проект обойдется очень дорого.

Нами предложены новые варианты выдачи мощности Камбаратинской ГЭС №2, которые обойдутся значительно дешевле ранее предлагавшихся вариантов выдачи мощности этой ГЭС. Кроме того, предлагаемые варианты увеличат надежность электроснабжения Севера Кыргызстана.

Сложившаяся на сегодняшний день схема электрических сетей Кыргызстана имеет следующую картину. Генерирующие ГЭС на 90% представлены ГЭС Токтогулского каскада, суммарной мощностью 2870 МВт и они расположены в южной части республики. В зимний период ТЭЦ г. Бишкек выдает в систему всего мощность до 250 МВт. В летнее время она вырабатывает электроэнергию попутно с выработкой тепловой энергии и для удовлетворения собственных нужд. Следовательно, вся потребляемая мощность северным Кыргызстаном в это время идет от Токтогулской ГЭС. Север Кыргызстана потребляет 2/3 части всей вырабатываемой мощности ТГЭС. Кроме того на Север передается мощность экспортируемая в Казахстан, Вся эта мощность передается по единственной ЛЭП «Токтогулская ГЭС – п/ст. Фрунзенская». Следовательно, постоянно присутствует риск перерыва электроснабжения северного Кыргызстана при отказе этой ЛЭП. Это подтвердила авария, произошедшая на этой ЛЭП осенью 1994 года. Во время этой аварии ЛЭП -500 кВ «Ташкент – Чимкент» находилась на ремонте и не оказалось возможности передавать энергию наших ГЭС на Север через Узбекскую и Южно Казахстанскую энергосистемы. Даже когда все линии функционируют, вызывает сомнение, что Узбекистан позволит транспортировать большую мощность, ввиду загруженности своих линий. Отключение этой линии в 2009г. вызвал развал энергосистемы Севера Кыргызстана и Юга Казахстана и перерыва электроснабжения ряда областей двух государств.

Передача энергии Токтогулской ГЭС имеет еще один существенный недостаток, заключающийся в том, что электроэнергия передается по очень протяженным сетям. В город Каракол энергия ТГЭС проходит по линиям протяженностью 725 км, в г. Нарын — 685 км, когда имеются более короткие пути. При перспективном планировании развития сетей в республике надо ставить задачу усиления связей Юга и Севера и выдачу мощности кратчайшими путями с каскада ГЭС на реке Нарын на север Кыргызстана.

Но согласно ранее разработанного проекта строительства ЛЭП -500 кВ п/ст. «Фрунзенская» — п/ст. «Кемин», врезка Камбаратинской ГЭС №2 в линию 500 кВ «Токтогульская ГЭС – п/ст. Фрунзенская» никоим образом не повышает надежность электроснабжения севера Кыргызстана. Сохраняются большие потери мощности и падения напряжения, а на самой линии «ТГЭС-Фрунзенская» потери еще больше увеличатся. Передача мощности в Иссыккульскую и Нарынскую области будет продолжать идти кружным путем. Ускорение ввода Камбаратинской ГЭС №2 мощностью 360 МВт требует решения вопроса выбора наиболее выгодного варианта выдачи ее мощности. Нами предлагается к рассмотрению несколько вариантов выдачи мощности по другим трассам на напряжении 220 и 500 кВ.

Первый вариант выдачи мощности Камбаратинской ГЭС №2 на напряжении 500 кВ на северо-восток через Джумгальскую и Кочкорскую долины до пос. Кочкор, длиной около 250 км. Около пос. Кочкор предлагается построить п/ст. 500/220 кВ и связать с линией 220 кВ «Кемин-Нарын», при котором образуются линии «Кочкор- Кемин» и «Кочкор-Нарын». От п/ст. «Кочкор» предлагается построить линию 220 кВ «Кочкор-Балыкчи» длиной 60 км или двухцепную длиной 40 км и врезать в линию «Балыкчи- Тамга». По второму варианту предлагается использовать эту же трассу, но использовать напряжение 220 кВ. Предлагается выполнить эту линию одноцепной с применением сдвоенного повода. Эти два варианта имеют преимущества в том, что потребители Иссыккульской и Нарынской областей получат резервное питание, а Кеминский энергоузел еще один резерв. При принятии одного из вышеуказанных вариантов в значительной степени повысится надежность электроснабжения севера Кыргызстана. Не менее существенно то, что разгрузятся линии 220 кВ от п/ст. «Фрунзенская» и уменьшатся потери энергии в них. Очень серьезным фактором является то, что трасса проходит по мало пересеченным местностям, по Джумгальской и Кочкорской долинам и не переходит через высокогорные хребты, чем в меньшей мере вызывается удорожание строительства ЛЭП в связи с горными условиями. Ориентировочные расчеты показывают, что вариант 220 кВ дешевле варианта 500 кВ примерно в 2,5-3 раза. Вариант 500 кВ стоит примерно около 100 млн. долларов, а вариант 220 кВ стоит примерно 35 млн долларов. Вариант 500 кВ примечателен тем, что эта линия при построении Камбаратинской ГЭС №1, мощностью 1800МВт может быть использована для выдачи мощности этой ГЭС. До построения этой ГЭС линия будет использоваться на 25-30%, т.е. большая часть вложенного капитала будет омертвлена на долгие годы. При принятии варианта 220 кВ потребуется дополнительно строительства линии 500 кВ для выдачи мощности Камбаратинской ГЭС №1, однако линия 220 кВ будет продолжать выполнять свои функции и играть роль распределительных сетей.

Возможны и другие варианты. Например, выдача мощности Камбараты №2 в сторону г. Бишкека на напряжении 220 кВ. Такая линия будет иметь наименьшую длину от станции до приемного узла энергосистемы (примерно 230-240 км). Приемным узлом может быть новая п/ст. «Алаарчинская», то есть не надо строить новую подстанцию. Наиболее приемлемой в этом варианте будет трасса, проходящая вдоль автодороги Ош- Бишкек, что значительно облегчит строительство линии. Этот вариант трассы ранее рассматривался для передачи энергии от Токтогулской ГЭС, однако в последний момент был принят вариант трассы по ущелью Аспара. По протяженности и по стоимости этот вариант выгоднее всех других. Эта линия 220 кВ рассматривается как одноцепная с применением сдвоенного провода. Опыт эксплуатации одноцепных линий 220 кВ со сдвоенными проводами от Курпсайской ГЭС показал их высокую надежность и то, что они имеют высокую пропускную способность. Мощность Курпсайской ГЭС (800 МВт) выдается по двум линиям 220 кВ, выполненным со спаренными проводами 300 мм² каждая. Такая линия может допускать передачу мощности до 400 МВт. Использование в передаче от Камбараты-2 такой линии вполне оправдано, Для обеспечения местной нагрузки от Камбараты -2 будет забираться на напряжении 110 кВ примерно 60 МВт. В систему по линии более высокого напряжения необходимо передавать примерно 300 МВт. Использование линии 220 кВ со сдвоенными проводами для передачи мощности Камбараты-2 наиболее оптимально: не слишком дорого и пропускная способность достаточна.

Расчеты потерь энергии и падения напряжения показали, что во всех вариантах они находятся в допустимых пределах. Стоимость передач в Кочкор и в Бишкек примерно одинаково, однако передача в Кочкор повышает надежность электроснабжения восточной части Кыргызстана и кратчайшим путем обеспечивает передачу электроэнергии от Камбараты-2 до удаленных потребителей. Хотя расчеты являются приблизительными, они позволяют ориентировать проектировщиков на выбор наиболее оптимального варианта выдачи мощности Камбаратинской ГЭС №2. Для увеличения надежности питания потребителей Нарынской области напрашивается вариант строительства линии 110 или 220 кВ Камбарата 2 — пос. Казарман, протяженность этой линии составит примерно 100 км. При продлении варианта линии 220 кВ до перевала Торугарт можно передавать электроэнергию в Китай кратчайшим путем. Длина линии составит менее 300 км. В настоящее время энергия Токтогулской ГЭС в Торугарт (граница с Китаем) приходит по линиям общей длиной около 750 км. Также представляет интерес такой вариант — связать Камбарату-2 на напряжении 220 кВ с п/ст. «Алабель». Такая связь обеспечивала бы перетоки между Токтогулской ГЭС и Камбаратинской ГЭС №2, а также их взаимное резервирование.

Вызывает интерес этапы развития схемы выдачи мощности Камбараты-2 в связи с большой продолжительностью времени ввода мощностей на ней. Как известно в ближайшее время намечен пуск 1 го агрегата, мощностью 120 МВт. Эту мощность можно будет временно передавать в местную сеть 110 кВ, которую необходимо усилить строительством линий в Минкуш или Казарман. По этим линиям примерно половина мощности будет передаваться в Нарынскую область, а другая часть потребляться местными потребителями. При вводе второго агрегата необходимо строительство линии 220 или 500 кВ. Нами предлагается построить линию 220 кВ до пос. Кочкор. При вводе 3 го агрегата можно усилить сети 220 кВ, соединив Камбарату-2 с подстанцией «Алабель» и введя линию в Китай.

Мощность Камбаратинской ГЭС №1 (мощность 1900 МВт) можно выдавать только на напряжении 500 кВ. Это будут линии соединяющие Север и Юг Кыргызстана и наверняка линия идущая в Китай. Намечен предварительный вариант строительства линии 500кВ «Датка – Кемин», проходящая через створы Камбаратинских ГЭС. Предполагается выдача мощности Камбаратинских ГЭС по этой линии.

Требует решения проблема усиления сетей Юга Кыргызстана в связи с угрозами Узбекистана о выходе их из объединенной энергосистемы. Первоочередными являются строительство линий от п/ст. «Кристалл» до п/ст. «Октябрьская», далее до п/ст. «Узловая», далее до п/ст. «Алай», общей протяженностью около 200 км.

Содержание главы:

ГЛАВА 12. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ КЫРГЫЗСТАНА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Содержание книги:

Статьи и книги по теме:

2.3. Электроснабжение горных районов от автономных источников

На территориях, где отсутствует местная электрическая сеть и потребитель электрической энергии находится достаточно далеко от ближайшей подстанции, может оказаться экономически целесообразным применение автономного источника питания.

Дизельные электрические станции (ДЭС). В качестве первичных двигателей на дизельных электростанциях чаще всего принимают дизели, работающие на нефти, мазуте и газе. ДЭС применяют также в качестве резервного источника питания для ответственных потребителей, предприятия по переработке молока, мяса, птицефабрики, теплицы и др. ДЭС в Советском Союзе выпускались на напряжения 0,23; 0,4; 6,3; 10,5 кВ и на мощности 5, 8, 12, 20, 24, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500 кВт. Бензиновые агрегаты выпускались на мощности от 2 до 100 кВт. За рубежом выпускаются на мощности от 2 до 1120 кВт.

ДЭС могут использоваться как стационарные, так и передвижные. При значительных высотах мощность дизеля снижается из-за разреженности воздуха и мощность генератора используется не полностью, также необходимо иметь постоянный запас горюче-смазочных материалов. При отсутствии подъездных дорог и труднодоступности или большой удаленности объектов электроснабжения, станция становится дорогой в эксплуатации.

Гидроэлектростанции. Использование энергии рек и водотоков для электроснабжения рассредоточенных потребителей не ново. В довоенные и послевоенные годы в районах, где отсутствовали местные электрические сети, одним из основных источников электроэнергии являлись мелкие колхозные и межколхозные ГЭС.

В настоящее время мелкие ГЭС не строятся, хотя очень часто они являются наиболее экономичными в благоприятных районах. Они не строятся по той причине, что промышленность в настоящее время не выпускала оборудование для мелких ГЭС как генераторы, турбины и т.д.

В перспективе возможно возрождение малых ГЭС на новом более высоком уровне. Новые ГЭС должны быть полностью автоматизированными, они должны строиться из унифицированных модулей, выпускаемых на заводах. Для перехода на такой уровень их нужно выпускать определенной величины номинальных мощностей, с унифицированными параметрами. Преимуществами ГЭС являются малые затраты на производство электроэнергии. Серьезным недостатком является сложность работы и эксплуатации в зимнее время. В зимние месяцы сток рек значительно уменьшается, кроме того сильной помехой становится льдообразование в деривационных сооружениях, затворах и т.д.

Для отдаленных очень малых потребителей приемлемо использование микроГЭС мощностью 0,3 — 3,0 кВт. В частности, в Киргизии ведутся научно-исследовательские работы по разработке микроГЭС. Для широкого их использования необходимо наладить промышленный выпуск. Машиностроительным заводом в Бишкеке был налажен выпуск микроГЭС типа РС ГЭС-1,5 кВт.

Ветряные электростанции. Использование энергии ветра для питания маломощных потребителей целесообразно при среднегодовых скоростях ветра от 3 м/сек до 16 м/сек. Но при этом необходимо учесть особенности ветра как энергетического источника: непостоянство, изменчивость скорости, наличие затишья, при котором ветроагрегаты останавливаются. Ветровую энергию наиболее целесообразно использовать в сочетании с электрическими аккумуляторами, которые выравнивают пульсирующую мощность и заряжаются при работе ветроустановки. Аккумуляторы позволяют питать электроэнергией потребителя в течение суток по любому графику. Для ветряных энергоустановок, мощностью меньше 5 кВт, эффективно применение химических аккумуляторов, в основном кислотных. Промышленность СНГ выпускает некоторые типы ветроустановок как «Ветерок», «Беркут» и др.

Солнечные электростанции (СЭС). В последние годы как в странах СНГ так и за рубежом ведутся интенсивные работы по использованию и преобразованию солнечной энергии. Несложно использовать энергию солнца для получения тепловой энергии, как горячая вода для обогрева жилых домов, для использования в быту: для мытья посуды, для душа, для стирки и т.д. Получение электрической энергии от солнечных преобразователей обходится дорого, но, тем не менее все шире начинают применяться солнечные установки для зарядки аккумуляторов, которые в вечернее время используются для освещения и питания радиоприемников и телевизоров. Фотоэлектрические преобразователи имеют установочную стоимость до 10000 $ за киловатт. Поэтому в настоящее время СЭС для питания мелких потребителей пока применяются мало. Однако в последние годы значительно уменьшена стоимость преобразователей.

Тепловые электрические станции. Теоретически возможно применение различных мелких тепловых электростанций. Однако таких исследований проводилось мало и промышленностью для таких станций оборудование не выпускается.

Содержание главы:

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ГОРНЫХ РАЙОНОВ