JEDNOSTKI TRANSFORMATOROWE 400/110 kv 450 MVA JAKO WAŻNY ELEMENT MODERNIZACJI I POPRAWY NIEZAWODNOŚCI KRAJOWEJ SIECI PRZESYŁOWEJ

Transkrypt

1 Nr 3(11) Ryek Eergii Str. 109 JEOSTKI TRANSFORMATOROWE 400/110 kv 450 MVA JAKO WAŻNY ELEMENT MODERNIZACJI I POPRAWY NIEZAWOOŚCI KRAJOWEJ SIECI PRZESYŁOWEJ Piotr Kacejko, Piotr Miller, Marek Wacerz, Paweł Ziółek Słowa kluczowe: bezpieczeństwo systemu elektroeergetyczego, modelowaie elemetów systemu, trasformatory eergetycze, obliczeia zwarciowe Streszczeie. W artykule przeaalizowao uwarukowaia powodujące potrzebę moderizacji jedostek trasformatorowych wyikającą z plaów rozwojowych krajowego systemu elektroeergetyczego (KSE). Zapropoowao rówież sposób modelowaia owych jedostek trasformatorowych 400/110 kv 450 MVA dla potrzeb obliczeń rozpływowych i zwarciowych, z uwagi a specyfikę w stosuku do jedostek spotykaych dotychczas. Poprawość modelowaia zweryfikowao korzystając z dostępych programów aalityczych. 1. WSTĘP Aalizy możliwości przesyłowych krajowego systemu elektroeergetyczego (KSE) wykoywae dla staów pracy przewidywaych w przyszłych horyzotach czasowych wskazują, że istoty elemet powodujący ich ograiczeie staowić będą obecie eksploatowae trasformatory sprzęgające sieci przesyłowe oraz sieć przesyłową i sieć 110 kv [, 4]. Krajowy stadard jedostek 400/110 kv, który tworzyły przez lata jedostki o mocach 50 MVA oraz 330 MVA w wielu przypadkach, szczególie w kofiguracjach awaryjych, okazuje się iewystarczający, gdyż jedostki o tej mocy zostają arażoe a długotrwałe przeciążeia. Przyczy zwiększeia obciążeia trasformatorów sieciowych ależy upatrywać w rosącym zapotrzebowaiu a moc i eergię oraz w rosącym udziale sieci przesyłowej w wyprowadzaiu mocy ze źródeł i przesyłaiu jej od cetrów wytwarzaia do miejsc, z których zaczya się dystrybucja eergii elektryczej. Rola sieci 110 kv zostaje więc ograiczoa, przestaje oa stopiowo brać udział w przesyle. Wielkość mocy przepływającej przez trasformatory sieciowe wzrasta w wyiku koieczości przetrasformowaia mocy przesłaej siecią 400 i 0 kv. Rosąca wielkość tej mocy wyika w szczególości z: wzrostu zapotrzebowaia a moc, budowy owych jedostek wytwórczych kowecjoalych o dużej mocy (o mocy bliskiej 1000 MW) przyłączaych wyłączie do apięcia 400 kv, zastępujących w KSE dotychczasowe źródła (o mocy do 40 MW) przyłączoe rówież do apięcia 110 kv, zwiększaia wymiay międzysystemowej (m.i. połączeie Polska Litwa), rozwoju eergetyki odawialej i koieczości przesyłu adwyżek eergii przez ią wytworzoych (trasformatory sieciowe służą rówież wyprowadzeiu tej mocy do sieci przesyłowej). Kluczowe zaczeie trasformacji z poziomu sieci przesyłowej jest rówież obserwowae w przypadku wyłączeia awaryjego liii przesyłowej, kiedy moc zostaje w zaczym stopiu kierowaa do sieci 110 kv, która pełi wtedy fukcję rezerwowego toru przesyłowego. W przedstawioej sytuacji jako słuszą moża uzać politykę iwestycyją operatora sieci przesyłowej, polegającą a sukcesywym zastępowaiu starych jedostek trasformatorowych owymi jedostkami o mocy 450 MVA. Większa moc jedostek ozacza przede wszystkim większe możliwości ich obciążaia, a co za tym idzie zwiększeie przepustowości KSE. Biorąc pod uwagę czas życia trasformatorów tego typu, potrzeby KSE mogą być zaspokojoe w horyzocie kilkudziesięciu lat. Jedolity stadard może być rzecz jasa uzay jako korzysty z puktu widzeia racjoalej gospodarki majątkiem operatora. Z drugiej jedak stroy zastosowaie jedostek o tak dużej mocy może się wiązać z pewymi problemami. Zmiejszoa impedacja powoduje wzrost mocy zwarciowej po stroie 110 kv. Poprawia to co prawda sztywość sieci i jej odporość a zakłóceia, ale rówocześie może spowodować koieczość dostosowaia wytrzymałości zwarciowej tej sieci do owych waruków. Dlatego OSP ie rezyguje z istalacji jedostek 400/110 kv o mocy 330 MVA, jeżeli zajduje to uzasadieie w przewidywaym obciążeiu maszyy i warukach zwarciowych. Nowe jedostki trzeba odwzorować w modelach obliczeiowych. Obliczeia rozpływowe, zwarciowe czy też aaliza stabilości statyczej i dyamiczej wymagają zastosowaia modeli o różym stopiu dokładości. Często sposób modelowaia decyduje o poprawości uzyskiwaych wyików, a co za tym idzie poprawości wiosków wyikających z prowa-

2 Str. 110 Ryek Eergii Nr 3(11) dzoych aaliz.. POTRZEBA MODERNIZACJI W ramach moderizacji populacji trasformatorów w PSE S.A. aktualie realizowae jest zadaie pt.: Moderizacja populacji trasformatorów 0/110 kv i 400/110 kv zaistalowaie dodatkowych AT 0/110 kv i 400/110 kv w stacjach elektroeergetyczych. W 013 uruchomioy został etap V tego zadaia, a w kolejych latach okresu plaistyczego plaowae jest uruchomieie kolejo etapów VI i VII. Każdy z tych etapów zakłada motaż owych jedostek trasformatorowych w kolejych stacjach KSE. Stacje te zostały zazaczoe a rys. 1. Rys. prezetuje z kolei plaowae rocze przyrosty mocy owych jedostek trasformatorowych w latach Rys. 1. Schemat sieci przesyłowej z zazaczoymi stacjami, w których plaowae jest zamotowaie owych trasformatorów w latach [7] Rys.. Rocze przyrosty mocy owych jedostek trasformatorowych, arastająco w latach [7]

3 Nr 3(11) Ryek Eergii Str. 111 W trakcie realizacji jest rówież umowa a dostawę trasformatorów w latach w ramach etapu IV omawiaego zadaia, przezaczoych dla zadań objętych Programem rozbudowy KSP w zakresie połączeia Polska-Litwa. Podstawowym celem przedsięwzięcia, polegającego a wymiaie autotrasformatorów oraz zaistalowaiu dodatkowych autotrasformatorów (0/110 kv 75 MVA, 400/110 kv 330 MVA, 400/110 kv 450 MVA, 400/0 kv 500 MVA) jest zapewieie ciągłości oraz iezawodości zasilaia sieci rozdzielczej 110 kv wymagaej przez aktualie obowiązujące umowy przesyłowe zawarte z odbiorcami. Oczekiwae efekty po zrealizowaiu przedsięwzięcia to: poprawa bezpieczeństwa dostaw eergii elektryczej, zwiększeie swobody hadlu eergią elektryczą, która staowi realizację oczekiwań uczestików ryku eergii elektryczej odośie poprawy efektywości działaia ryku wewętrzego, zmiejszeie kosztów eksploatacji autotrasformatorów oraz kosztów strat przesyłowych, poprawa waruków pracy KSE poprzez istalację dodatkowych jedostek trasformatorowych, Lp. Układ 1. Istiejąca jedostka 400/110 kv 330 MVA w SE Ostrów (przed istalacją OSR-A). Istalacja owej jedostki 400/110 kv 450 MVA w SE Ostrów 3. Istalacja owej jedostki 400/110 kv 450 MVA w SE Pątów uzyskaie możliwości przyłączaia owych podmiotów do sieci przesyłowej. Moderizacja w dużej mierze związaa jest z plaowaymi przyłączeiami owych źródeł eergii, w szczególości farm wiatrowych, w celu spełieia wymagań ryku eergii oraz wymagań klimatyczych Uii Europejskiej. W celu ustaleia przewidywaego stopia obciążeia trasformatorów przeprowadza się obliczeia rozpływowe dla pewych przypadków staów awaryjych i remotowych (aaliza -1 i -1-1) i kokretych staów pracy krajowego systemu elektroeergetyczego. Kilka z tych przypadków zostało zaprezetowaych w tabeli 1. Obecie w SE Ostrów pracuje jede autotrasformator o mocy 330 MVA. Awaryje wyłączeie autotrasformatora 0/110 kv w stacji Adamów powoduje jego obciążeie zaczą mocą, która w rozpatrywaym horyzocie czasowym mogłaby osiągąć wartość podaą jako poz. 1 w tabeli 1. Z tego powodu plaowaa jest istalacja drugiego autotrasformatora w stacji Ostrów. Nowa jedostka o mocy zamioowej 450 MVA, po awaryjym wyłączeiu pierwszej zostaje obciążoa mocą 350 MVA (poz. w tabeli 1). Tabela 1 Wyiki aaliz rozpływowych uzasadiających potrzebę istalacji owych jedostek trasformatorowych Kod trasformatora Przepływ mocy, MVA Aalizowae wyłączeie OSR-A1 351 ADA-A1 0/110 kv OSR-A 350 OSR-A1 PAT-A3 408 PAT-A 400/0 kv Geeracja w obszarze badaego trasformatora wysoka geeracja w El. Bełchatów i farmy wiatrowej Ostrów wysoka geeracja w El. Pątów a poziomie apięcia 400 kv geeracja wiatrowa w półocej Polsce a poziomie 600 MW Poprawa bezpieczeństwa pracy sieci dystrybucyjej w rejoie węzła PAT (Pątów) ma zostać osiągięta dzięki wprowadzeiu apięcia 400 kv i trasformacji 400/110 kv. W warukach wysokiej geeracji wiatrowej w półocej Polsce i geeracji tylko jedego bloku w elektrowi Pątów (a apięciu 400 kv z pełą mocą) plaoway autotrasformator 400/110 kv obciąża się mocą poad 400 MVA po awaryjym wyłączeiu autotrasformatora 400/0 kv. Oczywiście moża jeszcze przytoczyć wiele iych tego typu przykładów. 3. MODEL TRANSFORMATORA Uwzględieie owych jedostek trasformatorowych w aalizach sieciowych wykoywaych przy pomocy programów rozpływowych, zwarciowych czy też programów badających elektromechaicze stay przejściowe wymaga opracowaia ich modelu [3]. Najmiejsze wymagaia w tym względzie mają programy rozpływowe, które swoje zapotrzebowaie a dae ograiczają do parametrów dostępych a tabliczce zamioowej trasformatora (tabela ).

4 Str. 11 Ryek Eergii Nr 3(11) Tabela Wybrae dae zamioowe trasformatora 450 MVA firmy ABB Parametr Wartość Uwagi Liczba faz 3 Układ połączeń Częstotliwość zamioowa YNa0d11 50 Hz Moce uzwojeń i 450 MVA Napięcia zamioowe 50 MVA 410 kv 13 kv 15,75 kv Prądy zamioowe 633,7 A Straty obciążeiowe - 11,3 A 183,9 A 746,3 kw odiesioe - 14,80 kw odiesioe do 50 MVA - 151,38 KW odiesioe do 50 MVA Napięcia zwarcia - 13,43% odiesioe Straty jałowe - 104,67% odiesioe - 137,97% odiesioe 81,63 kw Model zwarciowy wymaga już obliczeia parametrów obwodu zastępczego dla składowych symetryczych (zgodej, przeciwej i zerowej). Parametry tych modeli, w przypadku gdy trasformator będzie reprezetoway przez zastępczy czwórik typu T, moża policzyć a podstawie daych zamioowych korzystając ze zaych z literatury zależości [1]. Wartości rezystacji i reaktacji par uzwojeń moża obliczyć ze wzorów: Pcu H-LU RH-L (1) S X u U k H-L H-L () S gdzie: Pcu - straty obciążeiowe w kw, u - apięcie zwarcia w %, k U - apięcie zamioowe trasformatora, S - moc zamioowa (odiesieia) trasformatora, w miejsce H oraz L wstawia się odpowiedio, oraz. Warto zwrócić uwagę a fakt, że a tabliczce zamioowej trasformatora poziom strat obciążeiowych w uzwojeiach - oraz - został odiesioy do mocy 50 MVA. Nieuwzględieie tego faktu (podstawieie we wzorach (1) i () w miejsce S mocy ajwiększego uzwojeia, czyli 450 MVA) może prowadzić do błędych wyików. Uzyskay w te sposób układ trójkątowy impedacji ależy przekształcić a układ gwiazdowy korzystając ze zaych zależości: R R R R R R R R R R R R X X X X X X X X X X X X (3) (4) Duże wartości apięć zwarcia uzwojeń - oraz - (dla każdej pary uzwojeń są to wartości przekraczające 100%) sprawia, że uzyskae wyiki mogą się wydawać zaskakujące (tabela 3). Tabela 3 Parametry obwodu zastępczego trasformatora dla składowej zgodej Stroa trasformatora R, Ω X, Ω 0,0-37,11 0,59 87,8 9,58 48,11 Ujema wartość reaktacji gałęzi po stroie ie występowała w zaych dotychczas modelach trasformatorów (atomiast występowała w gałęzi ). Zmiaa parametrów wyika z odmieej kostrukcji trasformatora odmieego od dotychczasowego sposobu wzajemego usytuowaia uzwojeń. W aalogiczy sposób moża obliczyć parametry modelu zastępczego dla składowej zerowej, przy czym w przypadku braku dostępu do iformacji o wartościach apięć zwarcia dla składowej zerowej moża przyjąć, że wartości rezystacji i reaktacji dla składowej zerowej staowią około 85-90% wartości odpowiadających im parametrów dla składowej zgodej, z uwagi a udział powietrza w przebiegu strumiei rozproszeia. Ostateczą postać modeli zastępczych uzyskuje się podejmując decyzję o tym, czy będzie o jawie uwzględiał obecość trzeciego uzwojeia trasformatora (model 4-gałęzowy) czy też trzecie uzwojeie (zwykle połączoe w trójkąt) będzie uwzględioe tylko w gałęzi poprzeczej czwórika typu T dla składowej zerowej.

5 Nr 3(11) Ryek Eergii Str. 113 W zależości od budowy rdzeia trasformatora koieczie może być rówież uwzględieie gałęzi magesowaia w modelu dla składowej zerowej. W przypadku dużych jedostek trasformatorowych ich rdzeie mają zwykle budowę pięciokolumową, tak więc impedacja gałęzi magesowaia przyjmuje wartość ieskończoości. W przypadku, gdy uzwojeie połączoe jest w trójkąt wartość impedacji gałęzi poprzeczej w modelach dla składowej zerowej jest rówa impedacji uzwojeia dla składowej zerowej (czyli wartości 0,9 impedacji uzwojeia dla składowej zgodej). Na rys. 3 i 4 zaprezetowao ostateczą postać modeli dla składowych zgodej i zerowej odpowiedio w wersji trój- jak i czterogałęziowej. Modele w takiej postaci są geerowae domyślie w programie zwarciowym SCC przy wykorzystaiu odpowiediego kreatora [5]. a) b) 0,0 j 37,11 Ω 0,59 + j 87,8 Ω j Ω 0,0 j 33,40 Ω 0,54 + j 78,55 Ω a) b) 0,0 j 37,11 Ω 0,59 + j 87,8 Ω j Ω 9,58 + j 48,11 Ω 0,0 j 33,40 Ω 0,54 + j 78,55 Ω 8,6 + j385,15 Ω j Ω Rys. 4. Czterogałęziowy model zastępczy autotrasformatora 450 MVA; a) składowa zgoda; b) składowa zerowa 4. PRZYKŁADY OBLICZEŃ Obliczeia wykoao w programie SCC a prostym układzie zaprezetowaym a rys. 5, atomiast w tabeli 4 zamieszczoo wyiki obliczeń wykoaych dla różych lokalizacji miejsca zwarcia. Pomimo osobliwości parametrów zwarciowych trasformatora, wartości prądów ie przekraczają poziomów akceptowalych obecie dla sieci KSE. 8,6 + j385,15 Ω SYSTEM B400 AT B110 Rys. 3. Trójgałęziowy model zastępczy autotrasformatora 450 MVA; a) składowa zgoda; b) składowa zerowa Program SCC : Tablica rozpływów I-go rzędu B15 Rys. 5. Schemat sieci testowej Tabela 4 Wyiki obliczeń zwarciowych dla sieci testowej program SCC NWE NWL Sk Ik3 Ik Ik1 Ik1E Rk1 Xk1 Rk0 Xk0 Xk0/Xk1 [MVA] [A] [A] [A] [A] [] [] [] [] [-] Zwarcie w węźle : B400 U = kv B AT Tra. 3Uzw KRM4-01 Udział Zwarcie w węźle : B110 U = kv B AT Tra. 3Uzw Zwarcie w węźle : B15 U = kv B AT Tra. 3Uzw

6 Str. 114 Ryek Eergii Nr 3(11) PODSUMOWANIE Trasformatory ajwyższych apięć o dużych wartościach mocy zamioowych staowią istoty elemet systemu elektroeergetyczego. Należy liczyć się z tym, że w dobie zwiększoego zapotrzebowaia a eergię elektryczą oraz dążeia do zapewieia bezpieczeństwa pracy systemu elektroeergetyczego coraz więcej tego typu jedostek pojawi się w strukturze sieci przesyłowej. Wymusza to koieczość uwzględiaia ich w modelach obliczeiowych wykorzystywaych do prowadzeia aaliz pracy SEE. Model trasformatora 450 MVA zapropooway w iiejszym artykule może być przydaty w obliczeiach rozpływowych zwarciowych, co wykazao wykoując obliczeia w programie SCC. LITERATURA [1] Kacejko P., Machowski J.: Zwarcia w systemach elektroeergetyczych. WNT, Warszawa 009. [] Machowski J., Kacejko P., Robak S., Miller P., Wacerz M.: Aalizy systemu elektroeergetyczego w średiookresowym plaowaiu rozwoju. Przegląd Elektrotechiczy r 6, 013, str [3] Zakrzewski K.: Trasformatory ajwiększych mocy i apięć problematyka techologicza i badawcza. Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze, r 83, 009. [4] Istrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej. Wersja z dia 30 grudia 010 r. [5] Dokumetacja techicza programu SCC, v [6] Dokumetacja techicza programu PowerFactory, v [7] Polskie Sieci Elektroeergetycze Operator S.A.: Pla rozwoju w zakresie zaspokojeia obecego i przyszłego zapotrzebowaia a eergię elektryczą a lata Aktualizacja w zakresie lat , Kostaci Jeziora, luty 014 r. TRANSFORMER UNITS 400/110 kv 450 MVA AS AN IMPORTANT ELEMENT OF MODERNIZATION AND RELIABILITY ENHANCEMENT OF THE POLISH TRANSMISSION NETWORK SYSTEM Key words: power system safety, modelig of power system, power trasformers short-circuit calculatios Summary. The article presets a aalysis of the eed for moderizatio of trasformer uits i the Polish Power System followig from developmet plas for the PPS. A ew method for modelig of ew 450 MVA trasformer uits to be used for the short-circuit calculatio purposes has bee proposed. Correctess of the modelig has bee verified with the applicatio of aalytic programs available o the market. Piotr Kacejko jest kierowikiem Katedry Sieci Elektryczych i Zabezpieczeń Politechiki Lubelskiej. Stopień doktora habilitowaego uzyskał a Wydziale Elektryczym Politechiki Warszawskiej w 1999, a tytuł profesora w 006 r. Specjalizuje się w aalizie systemów elektroeergetyczych, szczególie w staach awaryjych oraz w metodach umeryczych związaych z ich aalizą; p.kacejko@pollub.pl Piotr Miller, ukończył Wydział Elektryczy Politechiki Lubelskiej. Obecie pracuje a staowisku adiukta w Katedrze Sieci Elektryczych i Zabezpieczeń. Specjalizuje się w problematyce metod umeryczych i oprogramowaia stosowaego w aalizie staów awaryjych systemu elektroeergetyczego. Jest główym autorem programu komputerowego SCC stosowaego do obliczaia wielkości zwarciowych przez wiele jedostek eergetyki zawodowej i biura projektowe; p.miller@pollub.pl Marek Wacerz, ukończył Wydział Elektryczy Politechiki Lubelskiej. Obecie pracuje a staowisku adiukta w Katedrze Sieci Elektryczych i Zabezpieczeń. Specjalizuje się w problematyce metod umeryczych i oprogramowaia stosowaego w aalizie staów awaryjych systemu elektroeergetyczego. Jest główym autorem programu komputerowego SCC stosowaego do obliczaia wielkości zwarciowych przez wiele jedostek eergetyki zawodowej i biura projektowe; m.wacerz@pollub.pl Paweł Ziółek, ukończył Wydział Elektryczy Politechiki Warszawskiej. Obecie pracuje a staowisku starszego specjalisty w PSE S.A. Współuczesticzy w wykoywaiu aaliz systemowych w Departamecie Rozwoju Systemu. W pracy zawodowej wykorzystuje program komputerowy SCC do obliczaia wielkości zwarciowych w KSE; pawel.ziolek@pse.pl