УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР-ТРАНСФОРМАТОР
CONTROLLED SHUNTING REACTOR-TRANSFORMER

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве плавно регулируемого статического компенсатора реактивной мощности, в том числе для повышения пропускной способности электрических сетей, снижения потерь мощности в сетях и электротехническом оборудовании.
Известен аналог [1] - управляемый реактор для регулирования реактивной мощности - управляемый шунтирующий реактор-трансформатор фирмы ВВС, содержащий магнитопровод со стержнем и ярмами, сетевую обмотку и обмотку управления с управляемыми ключами - с включенными в каждую фазу управляющей обмотки встречно-параллельно соединенными тиристорами. Недостатком такой конструкции является повышенный расход активных и конструктивных материалов, увеличенные потери мощности и высокий уровень гармонических составляющих, вызванных токами через тиристоры, что обусловливает сниженные технико-экономические показатели.
Указанные недостатки частично устранены в устройстве [2] - прототипе. Это устройство компенсации реактивной мощности (управляемый шунтирующий реактор-трансформатор) содержит магнитопровод, сетевую обмотку и обмотку управления с управляемыми ключами, причем обмотка управления выполнена расщепленной на несколько независимых секций, каждая из которых снабжена своим ключом. В этом устройстве достигнуто существенное расширение диапазона регулирования рабочего тока с пониженным уровнем высших гармоник. Однако прототип имеет недостаточно высокие функциональные возможности и технико-экономические показатели.
Целью изобретения является ликвидация отмеченных недостатков прототипа - увеличение технико-экономических показателей, увеличение функциональных возможностей за счет расширения диапазона регулирования реактивной мощности источником реактивной мощности (ИРМ), снижение уровня нелинейных искажений в токе, увеличение надежности.
Поставленная цель достигается тем, что в управляемый шунтирующий реактор-трансформатор, содержащий магнитопровод со стержнем и ярмами, сетевую обмотку, имеющую отводы и соединенную с сетью, и обмотку управления, расщепленную на несколько независимых секций, каждая из которых снабжена своим управляемым ключом, введена компенсационная обмотка, расщепленная по высоте на независимые секции и расположенная между сетевой обмоткой и обмоткой управления, сетевая обмотка выполнена из двух соединенных параллельно секций, имеющих одинаковые радиальные размеры и высоту и расположенных по высоте одна за другой, секции сетевой обмотки выполнены с левой и правой направлениями намотки, причем одни ее отводы в середине высоты стержня соединены с сетевым вводом, другие отводы на торцах обмотки - с вводом нейтрали. Упомянутые независимые секции управляющей обмотки имеют одинаковые радиальные размеры и высоту и также расположены по высоте одна за другой. При этом необходимо соблюдать следующие условия:
к
50%<u%<100%,
комп.
0,2S<S<0,4S,
0<Δh<0,5h,
к
где u% - напряжение короткого замыкания управляемого реактора при полностью включенных управляемых ключах,
S - номинальная мощность управляемого реактора,
комп.
S - мощность компенсационной обмотки,
h - полная высота обмотки управления,
Δh - осевое расстояние между расщепленными секциями обмотки управления.
Предлагаемый управляемый шунтирующий реактор-трансформатор (далее - реактор) поясняется чертежами. На фиг.1 показаны обмотки реактора (в сечении), на фиг.2 - схема соединения обмоток между собой и с другими устройствами.
Магнитопровод реактора содержит стержень 1 и ярма 2. На стержне расположены цилиндрические обмотки. Сетевая обмотка состоит из двух секций - верхней 3 и нижней 4 и обычно является внешней обмоткой. Ближайшая к стержню обмотка управления расщеплена на две секции: верхнюю 5 и нижнюю 6. Компенсационная обмотка также расщеплена, имеет две секции: верхнюю 7 и нижнюю 8.
Две секции сетевой обмотки 3 и 4 имеют одинаковые радиальные размеры и высоту, соединены параллельно, расположены по высоте одна за другой и выполнены с левой и правой направлениями намотки. Отводы обмотки в середине высоты стержня соединены с сетевым вводом 9, отводы на торцах - с вводом нейтрали 70.
Секции обмотки управления 5 и 6, а также секции компенсационной обмотки 7 и 5 имеют каждая два ввода (для упрощения на рисунках не показаны). Полная высота обмотки управления равна h. Осевое расстояние между расщепленными секциями обмотки управления 5 и 6 обозначено Δh.
В схеме реактора имеются подключенные к вводам секций обмотки управления 5 и 6 два ключа управления 11 и 12, каждый из которых содержит встречно-параллельно включенные тиристоры (или управляемый симистор) и замыкающий выключатель (на схеме не показаны).
К секциям компенсационной обмотки 7 и 8 подключено фильтро-компенсирующее устройство 13 (ФКУ), содержащие фильтры для снижения высших гармоник в токе сетевой обмотки и батареи статических конденсаторов (БСК). Система автоматического управления 14 (САУ) соединена с ключами управления 11 и 12, с ФКУ 13, а также с трансформаторами тока ТТ и напряжения ТН (на схеме не показаны).
Реактор работает следующим образом.
Реактор подключается к сети 35-500 кВ. При максимальной нагрузке (обычно в дневное время зимнего периода) происходит наибольшее снижение напряжения подстанции (сети) из-за падения напряжения в подводящей линии и трансформаторах. Для компенсации этого падения напряжения и стабилизации напряжения при колебаниях нагрузки необходимо, чтобы реактор (устройство компенсации реактивной мощности трансформаторного типа) выдавал в сеть реактивную мощность, регулируемую в зависимости от нагрузки. САУ 14 сравнивает напряжение сети с уставкой - установленным напряжением стабилизации. При наличии рассогласования САУ 14 автоматически (или в режиме ручного управления оператором) подает команду на подключение к сети БСК в ФКУ 13, а также на отключение от одной расщепленной секции обмотки управления 6 ключа управления 12, переводя эту секцию в режим холостого хода. Регулирование тока реактора, т.е. реактивной мощности, выдаваемой в сеть, осуществляется по команде САУ 14 регулируемым ключом управления 11.
При минимальной нагрузке (обычно в ночное время летнего периода) происходит наибольший подъем напряжения подстанции из-за емкостных токов линии на землю. Для снижения и стабилизации напряжения при колебаниях нагрузки необходимо, чтобы реактор потреблял из сети реактивную мощность, регулируемую в зависимости от нагрузки. При этом САУ 14 сравнивает напряжение в сети с уставкой и подает команду на отключение БСК, которые входят в ФКУ 13. Одновременно дается команда на замыкание вводов одной расщепленной секции обмотки управления 6 - включением замыкающего выключателя в ключе управления 12. При этом короткозамкнутая секция обмотки управления 6 обеспечивает переход реактора в режим работы с максимальной реактивной мощностью. Плавное регулирование тока реактора, т.е. его реактивной мощности, автоматически (или в ручном режиме) осуществляется по команде САУ 14 ключом управления 11.
Реактор может быть не только однофазным, но и трехфазным. Трехфазный реактор выполняется или в виде трехфазной группы рассмотренных выше однофазных реакторов, или в виде трехфазного реактора, у которого имеется магнитопровод с тремя стержнями и ярмами. На каждом стержне располагаются такие же обмотки, как и на рассмотренном выше однофазном реакторе. В трехфазном реакторе сетевая обмотка соединяется обычно в схему «звезда», а компенсационная обмотка - в схему «треугольник» (например, с последовательным соединением секций 7 и 8 в каждой фазе).
При закрытых тиристорах в ключах управления 11 и 12 ток режима холостого хода мал, поэтому относительное содержание высших гармоник в нем небольшое. При полностью открытых тиристорах в ключах управления 11 и 12 секции обмотки управления закорочены, и ток реактора чисто синусоидальный. В промежуточных режимах, когда тиристоры включены в течение части периода, появляется искажение формы тока реактора из-за высших гармоник. Максимальное количество гармоник возникает при токе около 50% по отношению к току при полностью открытых тиристорах. Компенсационная обмотка трехфазного реактора включается в треугольник для подавления гармоник с частотой, кратной трем. Выполнение компенсационной обмотки, расщепленной по высоте на независимые секции 7 и 8, позволяет для снижения высших гармоник, кратных пяти и семи, в обмотке реактора применить соединение «зигзаг».
Для регулирования мощности реактора от минимальной (в режиме холостого хода) до максимальной сначала секция 6 отключена, а мощность плавно регулируется ключом управления 11 - изменением угла отпирания тиристоров. При полностью открытых тиристорах ключа 11 ток секции равен своему максимальному току, а ток реактора при этом равен примерно половине тока при номинальной мощности реактора. Это - особенность трансформаторов с расщепленной обмоткой. Так как тиристоры полностью открыты (ключ 11 замкнут), ток реактора - чистая синусоида. Максимальное количество гармоник возникает при токе около 25% (по отношению к току при полностью закороченных секциях обмотки управления 5 и 6). При дальнейшем увеличении мощности ключ 11 замкнут, а регулирование производится при включении в работу ключа 12 путем изменения угла отпирания его тиристоров. При полностью открытых тиристорах ключей 11 и 12 или включенных замыкающих выключателях (при полностью закороченных секциях обмотки управления 5 и 6) ток реактора равен максимальному току, а его мощность максимальна. Содержание высших гармоник в токе снова будет минимальным. Максимальное количество гармоник возникает при токе около 50% по отношению к максимальному току реактора. Таким образом, выполнение сетевой обмотки из двух расщепленных по высоте и соединенных параллельно секций 3 и 4 и расположенных напротив них, также расщепленных по высоте секций 5 и 6 обмотки управления, каждая из которых соединена с ключом 11 и 12, позволяет получить практически двойное снижение содержащихся в токе высших гармоник, что является одним из главных положительных эффектов.
Выполнение сетевой обмотки из двух расщепленных по высоте и соединенных параллельно секций 3 и 4 и расположенных напротив них также расщепленных по высоте секций 5 и 6 обмотки управления, каждая из которых соединена с ключом 11 и 12, позволяет использовать в реакторе только один регулируемый ключ 11 с параллельно-встречно включенными тиристорами (или управляемыми симисторами), а в другом ключе 12 - только замыкающий выключатель. Таким образом, существенно сокращается стоимость преобразовательного оборудования реактора.
к
к
к
к
к
Соотношение размеров сетевой обмотки и обмотки управления выбрано таким образом, чтобы напряжение короткого замыкания управляемого реактора при полностью включенных управляемых ключах u% находилось в пределах 50%<u%<100%. При u% менее 100% появляется возможность резервирования мощности реактора. Это значит, что при достижении номинальной мощности при закорачивании ключей 11 и 12 возможна кратковременная форсировка мощности, максимально в 2 раза при u%=50%. Кроме этого при u%<100% реактор имеет дополнительный положительный эффект - некоторое снижение массы и габаритов.
к
Однако применение реактора со сниженным значением u% менее 50% не имеет смысла из-за повышенного содержания высших гармоник в токе сетевой обмотки, что влечет за собой увеличение потерь в обмотке и фильтрах, увеличение мощности фильтров.
комп.
Суммарная мощность компенсационной обмотки S не должна быть менее 0,2 номинальной мощности управляемого реактора S, т.к. при этом в ней будут большие потери из-за токов высших гармоник. При повышенной мощности сверх 0,2S к компенсационной обмотке можно подключить дополнительные конденсаторные батареи БСК, т.е. увеличить функциональные возможности реактора, как источника реактивной мощности. Ограничение мощности компенсационной обмотки значением 0,4S связано с тем, что мощность фильтров подключенных к ней ФКУ для компенсации высших гармоник не превышает этой величины и, кроме того, это приводит к увеличению массы и габаритов реактора.
Для получения эффекта от расщепления обмотки управления при одновременном выполнении сетевой обмотки в виде двух параллельных секций необходимо, чтобы напряжение короткого замыкания только одной секции обмотки управления
к секции%
к
к секции
к
к секции
к
к
u было как можно больше u% - напряжения короткого замыкания управляемого реактора при коротком замыкании сразу двух секций - при полностью включенных управляемых ключах. Наименьшая величина отношения (u%/u%) порядка 1,5 получается при Δh≈0. При увеличении Δh возрастает величина u%, а величина u% остается примерно постоянной. При Δh≈0,5h значительно возрастает величина u%. Поэтому должно быть выполнено условие
0<Δh<0,5h,
где h - полная высота обмотки управления,
Δh - осевое расстояние между расщепленными секциями обмотки управления.
В предложенном реакторе обеспечивается повышение надежности работы за счет того, что возможна работа реактора с одним регулируемым ключом, при этом второй находится в горячем резерве. Имеется возможность без остановки реактора, когда необходимо, выводить один тиристорный ключ в ревизию или ремонт.
По сравнению с аналогами предложенный управляемый шунтирующий реактор-трансформатор имеет новые отличительные признаки, что позволяет получить увеличение технико-экономических показателей, увеличение функциональных возможностей за счет расширения диапазона регулирования реактивной мощности ИРМ, снижение уровня нелинейных искажений в токе, увеличение надежности.
Работоспособность и эффективность предложенных технических решений была проверена аналитическими расчетами и расчетами на математических моделях. В настоящее время разрабатываются проекты опытно-промышленных образцов реакторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров Г.Н., Борисов В.В., Иванов В.Л. и др. Электрические аппараты высокого напряжения. Учебное пособие для вузов под редакцией Александрова Г.Н., Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989, 344 с.
2. Александров Г.Н., Альбертинский Б.И., Федотов М.Т., Шкуропат И.А. Управляемый реактор. Патент РФ №2065654, заявка: 94027243/07, 04.08.1994, опубликовано: 20.08.1996.