probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2021-23-1-105-118probener-1764Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОсобенности переходных процессов в генераторных цепях мощных электротехнических комплексовFeatures of fault transient's in generator network of powerful electric power stationshttps://orcid.org/0000-0001-7294-1588СафоновЕ. П.SafonovE. P.

Сафонов Евгений Павлович – аспирант, Высшая школа электроэнергетических систем, Институт энергетики

г. Санкт-Петербург

Safonov Evgeniy Pavlovich

Saint Petersburg

safonov_ep@spbstu.ruФроловВ. Я.FrolovV. Ya.

Фролов Владимир Яковлевич – д-р техн. наук, профессор, Высшая школа электроэнергетическихсистем, Институт энергетики 

г. Санкт-Петербург

Frolov Vladimir Yakovlevich

Saint Petersburg

frolov.eed@gmail.comСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)РоссияPeter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU)Russian Federation202113052021231105118Copyright © Сафонов Е.П., Фролов В.Я., 20212021Сафонов Е.П., Фролов В.Я.Safonov E.P., Frolov V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1764

ЦЕЛЬ: Рассмотреть проблемы эксплуатации генераторных выключателей, в частности проблемы больших апериодических составляющих токов КЗ и длительных задержек нуля тока. Провести анализ и предложить методы решения этих проблем. На основании анализа разработать схему замещения электростанции, которая должна продемонстрировать упомянутые проблемы и эффективность предложенных методов для решения этих проблем. МЕТОДЫ: Для моделирования переходных процессов в электрических цепях использовался программный пакет Matlab Simulink РЕЗУЛЬТАТЫ: Была предложена и разработана схема замещения электростанции позволяющая моделировать отключение токов подпитки короткого замыкания от синхронного генератора. Получены осциллограммы токов короткого замыкания, описывающие проблему большой апериодической составляющей и задержки нуля токов. Предложено решение о шунтировании механических контактов генераторного выключателя шунтирующей тиристорно-позисторной приставки. В рамках схемы замещения была разработана модель позисторной приставки. Продемонстрированы осциллограммы токов короткого замыкания, демонстрирующие демпфирование апериодической составляющей от позисторного эффекта ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Результаты моделирования показали, что эффект длительных задержек нуля тока (когда ток не переходит нуль при ближайшем его минимуме) не характерен для мощных синхронных генераторов. Данный эффект может возникать при работе синхронного генератора в режиме компенсатора реактивной мощности и если при это отсутствует какое-либо дополнительное демпфирующее сопротивление. Применение позисторного эффекта в контактно-тиристорном генераторном выключателе позволяет снизить энергию тока КЗ на ~25% и полностью обезопасить выключатель от пропуска нулей тока. Это позволит повысить надежность эксплуатации тиристорного шунта.

THE PURPOSE. To consider the problems of generator circuit breaker. To consider the problems of high degree of asymmetry of short-circuit current and long delayed current zeros in detail. Propose methods for solving these problems. Develop the equivalent electrical circuit model of electric power station. This model should demonstrate the above-mentioned problems and effectiveness of the proposed solving problems methods. METHODS. The fault transient’s simulations have been performed by means of the software package Matlab Simulink. RESULTS. The equivalent electrical circuit model of electric power station was proposed and developed. This model allows simulating the short circuit currents from a synchronous generator. Short-circuit current waveforms are obtained. These waveforms describe the problem of high degree of asymmetry and long delayed current zeros phenomenon. Proposed decision on using thyristorbased hybrid circuit breaker with PTC-thermistor-based current limiting device. For equivalent electrical circuit the PTC-thermistor model was developed. Short-circuit current waveforms when applying PTC-thermistor-based current limiting device are obtained. CONCLUSION. The simulation results showed that the effect of long delayed current zeros (when the current does not pass zero at its nearest minimum) is not typical for high-power synchronous generators (PSG > 300 MW). This effect can occur when the synchronous generator is operating in the reactive power compensation mode. At the same time, there should be no additional electric resistance (for example a gas electric arc). The use of PTC-thermistor for thyristor-based hybrid circuit breaker will reduce energy of short circuit current on ~25% and it will completely protect the circuit breaker from does not pass zero current. This will increase reliability of thyristor device for hybrid generator circuit breaker.

короткое замыканиегенераторный выключательпозисторапериодическая составляющаязадержка нуля токатиристорshort circuitgenerator circuit breakerPTC thermistoraperiodic componentdelayed current zerosReferencesХарисова А.З. Повышение конкурентоспособности РФ: в новый век с новой энергией //Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. №. 3 (35).Harisova AZ. Improving the competitiveness of the Russian Federation: into a new age with new energy. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2017;3:(35).Соловьева И.А., Дзюба А.П. Управление затратами на электропотребление по показателям волатильности спроса //Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. №. 1 (33).Solovyova IA, Dzyuba AP. Energy cost management based on demand volatility indicators. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2017;1:(33).Савина Н.В., Сцепуро К.И. Реконфигурация схемы электрических сетей как средство снижения потерь электроэнергии // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11. №. 2 (42).Savina NV, Scepuro KI. Reconfiguration of electrical networks to reduce energy losses. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2019;11(2):(42).Смоленцев Н.И., Четошникова Л.М. Топология электрической сети и способ передачи электрической энергии // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019. Т. 21. №. 4.Smolentsev NI, Chetoshnikova LM. Topology of the electrical network and the method of transmission of electrical energy. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki. 2019;21(4).Palazzo M., Braun D., Delfanti M. Investigation on the occurrence of delayed current zeros phenomena in power stations and related stress imposed on generator circuit-breakers // International Conference on Power Systems Transients IPST 2011. 2011.Palazzo M, Braun D, Delfanti M. Investigation on the occurrence of delayed current zeros phenomena in power stations and related stress imposed on generator circuit-breakers. International Conference on Power Systems Transients IPST 2011.Lim L.S., Smith I.R. Turbogenerator short circuits with delayed current zeros // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library, 1977. Т. 124. №. 12. С. 1163-1169.Lim LS, Smith IR. Turbogenerator short circuits with delayed current zeros. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library, 1977;124(12):1163-1169.Urbanek H., Venna K.R., Anger N. Vacuum circuit breakers-Promising switching technology for pumped storage power plants up to 450 MVA // 2017 4th International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST). IEEE, 2017. С. 107-112.Urbanek H, Venna KR, Anger N. Vacuum circuit breakers-Promising switching technology for pumped storage power plants up to 450 MVA. 2017 4th International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST). IEEE, 2017. pp. 107-112.Зорин Л.М., Подъячев В.Н., Шлейфман И.Л. Генераторные выключатели в цепи мощных энергоблоков и требования, предъявляемые к ним // Электротехника. 2003. №. 11. С. 34-39.Zorin LM, Podyachev VN, Shleifman IL. Generator circuit breaker for powerful power units and requirements for them. Elektrotekhnika. 2003;11:34-39.Palazzo M., Delfanti M. New requirements for the application of generator circuitbreakers // International Conference on Power Systems Transients (IPST2013). 2013Palazzo M, Delfanti M. New requirements for the application of generator circuitbreakers. International Conference on Power Systems Transients (IPST2013). 2013.Schaefer R. C. Art of generator synchronizing // IEEE Transactions on Industry Applications. 2016. Т. 53. №. 1. С. 751-757.Schaefer RC. Art of generator synchronizing. IEEE Transactions on Industry Applications.2016;53(1):751-757.Palazzo M. et al. Revision of TRV requirements for the application of generator circuitbreakers // Electric Power Systems Research. 2016. Т. 138. С. 66-71.Palazzo M. et al. Revision of TRV requirements for the application of generator circuitbreakers. Electric Power Systems Research. 2016;138:66-71.Гусев Ю.П., Омокеева А.А. Анализ коммутационных процессов в цепях генераторного напряжения малых ГЭС // Электрические станции. 2012. №. 12. С. 33-39.Gusev YuP, Omakeeva AA. Analysis of switching processes in generator voltage circuits of small hydroelectric power plants. Elektricheskiye stantsii. 2012;12:33-39.Vajnar V., Vostracky Z. Reduced breaking capability of circuit breakers within operations with delayed current zeros // 2016 17th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE). IEEE, 2016. С. 1-5.Vajnar V, Vostracky Z. Reduced breaking capability of circuit breakers within operations with delayed current zeros. 2016 17th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE). IEEE, 2016.1-5.Кукеков Г.А., Фролов В.Я. Переходные процессы в контактно-тиристорных аппаратах. 1988.Kukekov GA, Frolov VYa. Transient processes in hybrid circuit breaker. 1988.Шульга Р.Н. и др. Исследование и разработка гибридного генераторного выключателя // Энергия единой сети. 2019. №. 3. С. 28-38. - ссылка при первом упоминании гибридного тиристорного выключателяShul’ga RN, Lavrinovich VA, Ivanov VP, et al. Research and development of hybrid generator circuit breaker. Energiya yedinoy seti. 2019;3:28-38McWhan D.B. et al. Electronic specific heat of metallic Ti-doped V 2 O 3 // Physical Review Letters. 1971. Т. 27. №. 14. С. 941.McWhan D. B. et al. Electronic specific heat of metallic Ti-doped V 2 O 3. Physical Review Letters. 1971;279(14):941.Ковтуненко П. В., Беляков А. В., Фомин Н. Н. Материалы для позисторов. Формирование позисторного эффекта и нестехиометрия // Перспективные материалы. 2001. №. 2. С. 5-14.Kovtunenko PV, Belyakov AV, Fomin N.N. Materials for PTC-thermistor. Formation of the PTC-thermistor effect and non-stoichiometry. Perspektivnyye materialy. 2001;2:5-14.Smeets R. P. P., Kertesz V. Evaluation of high-voltage circuit breaker performance with a new validated arc model // IEE Proceedings-Generation, Transmission and Distribution. 2000. Т. 147. №. 2. С. 121-125.Karapetyan I, Faibisovich D, Shapiro I. Reference Book for the Design of Electrical Networks. Litres, 2018.Лях О.В. и др. Структура, кинетические и теплофизические свойства чистого и легированного оксида ванадия (III) //Омский научный вестник. 2011. №. 3 (103).Smeets RP, Kertesz V. Evaluation of high-voltage circuit breaker performance with a new validated arc model. IEE Proceedings-Generation, Transmission and Distribution. 2000;147(2):121-125.Kokabi H.R. et al. Electrical characterization of PTC thermistor based on chromium doped vanadium sesquioxide // Materials Science and Engineering: B. 1996. Т. 38. №. 1-2. С. 80-89.Lyah OV, Prokudina NA, Surikov VadI, et al. Structure, kinetic and thermophysical properties of pure and doped vanadium (III) oxide. Omskiy nauchnyy vestnik. 2011;3(103).Шабад В.К., Саленик Д.В. Использование турбогенераторов в режиме потребления реактивной мощности // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №. 4. С. 55-59.Kokabi H. R. et al. Electrical characterization of PTC thermistor based on chromium doped vanadium sesquioxide. Materials Science and Engineering: B. 1996;38(1-2):80-89.Криволапов А. Ю., Мелешко Н. С., Степанова А. А. Использование генераторов в режиме синхронного компенсатора для регулирования уровней напряжения в энергосистеме // Электроэнергетика глазами молодежи-2019. 2019. С. 321-324.Shabad VK, Salenik DV. The use of turbo generators in the mode of reactive power consumption. Energosberezheniye i vodopodgotovka. 2004;4:55-59.Krivolapov AYu, Meleshko NS, Stepanova AA. Using generators in synchronous compensator mode to regulate voltage levels in the power system. Elektroenergetika glazami molodezhi-2019. pp. 321-324.Krivolapov AYu, Meleshko NS, Stepanova AA. Using generators in synchronous compensator mode to regulate voltage levels in the power system. Elektroenergetika glazami molodezhi-2019. pp. 321-324.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.