Влияние сверхпроводниковых устройств на повышение надежности работ
2007, Tом 4, выпуск 2
Тематика: Российские разработки
Общее повышение надёжности работы энергосистемы – это улучшение статической и динамической устойчивостей. Статическая устойчивость – это способность системы восстанавливать исходный режим после малого возмущения, а также режим весьма близкий к исходному режиму (если возмущающее воздействие не снято). Динамическая устойчивость энергосистемы – это способность системы после больших возмущений восстанавливать исходное, а также практически близкое к нему (допустимое по условиям эксплуатации) состояние.
Под большими возмущениями понимаются короткие замыкания, отключения или включения каких-либо элементов электропередачи (нагрузок, трансформаторов, генераторов, ЛЭП). В установившемся режиме существует баланс между электромагнитным мо-ментом генератора и механическим моментом на валу генератора.
Резкое изменение режима работы энергосистемы приводит к изменению электромагнитного момента на валу генератора. Появившийся дисбаланс между ускоряющим моментом турбины и тормозящим электромагнитным моментом приводит к тому, что генератор начинает изменять угловую скорость. Наиболее опасным возмущением является короткое замыкание (КЗ), при котором электрическая мощность, поступающая в систему, резко уменьшается, и генератор начинает разгоняться.
Из разработанных сверхпроводниковых устройств для электроэнергетических систем можно выделить следующие, имеющие предварительные результаты опытной проверки: сверхпроводниковые ограничители тока (СОТ) и сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН).
СОТ в виде сверхпроводникового трансформатора последовательного включения достаточно подроб-но экспериментально и теоретически исследован в ходе выполнения проекта РФФИ 05-08-18013 в ОИВТ РАН и представляет собой трансформатор, через первичную обмотку (резистивную-Cu) кото-рого протекает ограничиваемый ток, а вторичная обмотка коротко замкнута и состоит из ВТСП-колец (Y-Ba-Cu-O). В номинальном режиме работы импеданс СОТ является импедансом короткозамкнутого трансформатора и имеет низкое значение (линейный участок). При возникновении аварийного режима (например, КЗ) ток в первичной обмотке возрастает, что вызывает рост тока во вторичной обмотке, и происходит переход ВТСП-колец в нормальное состояние. При этом импеданс СОТ принимает значение импеданса трансформатора в режиме холостого хода (нижние кривые), за счёт чего и происходит ограничение тока короткого замыкания в защищаемой цепи.
На рис. 1 показано влияние количества ВТСП-колец на вольтамперную характеристику СОТ.
Необходимо добавить, что размеры ВТСП-колец подобраны так, что количество сверхпроводящего материала в обоих случаях одинаково. Из рис. 1 видно, что изменение импеданса СОТ, состоящего из одной группы, меньше (приблизительно в три раза), чем импеданс СОТ, имеющего обмотку, из двух групп чередующихся обмоток.
Далее рассмотрим совместную работу СОТ и СПИН с целью обеспечения и повышения надёжно-сти работы энергосистемы. При возникновении короткого замыкания, СОТ и СПИН могли бы уменьшить избыток мощности, облегчив, тем самым, переход к новому режиму.
Рис. 2. Исследуемая система
Для выявления параметров СПИН и СОТ используется схема, представленная на рис. 2. Каждый выключатель в линии снабжён СОТ.
В качестве возмущения рассматривается трёхфазное КЗ в начале одной из линий. Исследуются три возможных варианта, в которых обеспечивается решение поставленной задачи: 1) использование только СОТ (без СПИН); 2) использование только СПИН (без СОТ); 3) использование совместно СОТ и СПИН.
Рис. 3. Схема замещения при КЗ (при наличии СОТ, без СПИН)
Вариант 1 - используется только СОТ. В этом случае схема, представленная на рис. 2, преобразуется в схему замещения, представленную на рис. 3. Для систем, где каждый выключатель снабжён СОТ, не имеет значения место короткого замыкания (начало, середина или конец линии), с точки зрения возможности сохранения динамической устойчивости. При этом, чем больше отношение индуктивного сопротивления СОТ в нормальном состоянии к индуктивному сопротивлению линии, тем легче авария в отношении влияния её на устойчивость системы.
Рис. 4. Схема замещения при КЗ (при наличии СПИН, без СОТ)
Вариант 2 - используется только СПИН. В этом случае схема, представленная на рис. 2, преобразуется в схему замещения, изображённую на рис. 4. Задача заключается в определении минимальных значений мощности, рабочей энергоёмкости, постоянной времени, времени реверса и времени работы СПИН, необходимых для поддержания динамической устойчивости. Допустим, что СПИН до аварии работал в режиме выдачи энергии. После обнаружения системной автоматикой аварии, СПИН через время реверса переводится в режим потребления энергии, создавая тем самым дополнительную нагрузку на генератор, которая необходима для предотвращения нарушения устойчивости системы.
Рис. 5. Схема замещения при КЗ (при наличии СОТ и СПИН)
Вариант 3 - используются совместно СОТ и СПИН. В этом случае схема, представленная на рис. 2, преобразуется в схему замещения, изображённую на рис. 5. Допустим, что СПИН до аварии работал в режиме выдачи энергии, затем сработали СОТ в линии, т.е. СОТ перешли в нормальное состояние и в линию включились дополнительные индуктивные сопротивления. Далее СПИН через время реверса переходит в режим накопления энергии, создавая тем самым дополнительную нагрузку на генератор, предотвращая нарушение устойчивости системы. Совместная работа СОТ и СПИН даёт возможность дополнительного варьирования параметрами СОТ и СПИН.
Запасённая энергия СПИН, обеспечивающего ди-намическую устойчивость станции мощностью 2400 МВт, составляет 108 Дж. В то же время, для обеспечения статической устойчивости достаточно иметь СПИН в 10 раз меньшей энергоёмкости. В случае совместной работы СОТ и СПИН, с учётом допустимости трёх циклов автоматического повторного включения и обеспечения статической устойчивости, достаточно иметь СПИН энергоёмкостью ~4*107 Дж и динамическая устойчивость будет также обеспечена.