УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР-АВТОТРАНСФОРМАТОР
CONTROLLED SHUNTING REACTOR-AUTOTRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым шунтирующим реакторам-автотрансформаторам (УШРАТ), и может быть использовано для компенсации избыточной реактивной мощности высоковольтной линии электропередачи и изменения в ней в широких пределах общего уровня напряжения.
Известен управляемый реактор-трансформатор (УРТ), имеющий трехфазные первичную и вторичную обмотки, причем последняя совмещена с обмоткой подмагничивания постоянным током (Авторское свидетельство СССР №1541681, класс H01F 29/14 [1]).
УРТ предназначен для использования на понижающих подстанциях распределительных сетей в качестве трансформатора и одновременно регулируемой индуктивности компенсатора реактивной мощности. При полной нагрузке подстанции УРТ работает как трансформатор, если нагрузка мала - в реакторном режиме. При промежуточной нагрузке УРТ выполняет функцию и управляемого реактора и силового трансформатора с соответствующей степенью загрузки активной и реактивной мощностями.
Аналогичные функции выполняет трехфазный управляемый реактор, имеющий дополнительную и вторичную обмотки, первая из которых используется для подмагничивания стержней магнитопровода постоянным током, а вторая предназначается для питания нагрузки (Авторское свидетельство СССР №1658224, класс H01F 29/14 [2]).
Известен также трехфазный управляемый реактор-автотрансформатор (УРАТ), используемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и подключаемый непосредственно к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР №1781711, класс H01F 29/14 [3]). Изменение реактивной мощности, потребляемой УРАТ, осуществляется путем изменения тока обмотки управления. Величина тока регулируется встречно-параллельно включенными в ее цепь тиристорами. Изменение угла открытия тиристоров приводит к снижению (увеличению) указанного тока, но при этом генерируются высшие гармоники в токе основной обмотки УРАТ. Для устранения нечетных гармоник УРАТ снабжен фазосдвигающими и компенсационными обмотками, что усложняет его конструкцию. Основная обмотка УРАТ, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод. Этот магнитопровод подмагничивается постоянным током. Если подмагничивание отсутствует, то напряжение на обмотке ДАТ, включенной последовательно в основную обмотку, возрастает, а при определенном уровне подмагничивания - снижается. Таким образом может регулироваться напряжение на среднем выводе основной обмотки УРАТ, подключенном к линии электропередачи (ЛЭП). Однако изменение напряжения лежит в пределах (8÷14) %, что недостаточно для осуществления глубокого регулирования напряжения на линии.
Магнитопровод планарной конструкции однофазного блока УРАТ - может иметь два стержня, замкнутых общими ярмами. Фаза основной обмотки выполняется при этом из двух катушек, расположенных на разных стержнях и соединенных так, чтобы образовался циркулирующий магнитный поток в магнитопроводе каждого однофазного блока. Такая конструкция предназначена для УРАТ большей мощности [3].
Все управляемые шунтирующие реакторы (УШР) с подмагничиванием сердечника постоянным током, в том числе и реакторы-трансформаторы типа [1], [2], [3], имеют серьезные недостатки:
- повышенное содержание гармоник в токе основной обмотки, вызываемое работой тиристоров при неполных углах открытия;
- большая электрическая инерционность, связанная с наличием постоянной составляющей в магнитном потоке;
- сложная схема управления, включающая дополнительные фазосдвигающие и компенсационные обмотки;
- недостаточный диапазон регулирования напряжения, что исключает их использование для оптимизации режимов дальних ЛЭП.
Указанные недостатки реакторов в значительной степени устранены в УШР трансформаторного типа (Патент РФ №2221297, класс H01F 38/02 [4]). УШР трансформаторного типа (ТТ) состоит из пятистержневого сплошного магнитопровода и трех обмоток. Обмотка управления (ОУ) примыкает к стержню, далее следует компенсационная обмотка (КО) и снаружи сетевая обмотка, которая предназначена для постоянного подключения к ЛЭП. ОУ замыкается тиристорами автоматически управляемым блоком. КО предназначена для компенсации высших гармонических и соединяется в треугольник.
Напряжение короткого замыкания УШР ТТ составляет примерно 100%, что обеспечено увеличением межобмоточного расстояния и числа витков обмоток по сравнению с трансформатором той же мощности. Изменение тока ОУ, осуществляемое тиристорными блоками, приводит к вытеснению магнитного потока из основного стержня и, как следствие, увеличению сопротивления этому потоку, что вызывает увеличение реактивного тока, потребляемого УШР ТТ из высоковольтной передачи.
Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются в основном для поддержания напряжения контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное с ее нагрузкой глубокое регулирование на ней общего уровня напряжения и компенсация избыточной реактивной мощности (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966 [5]). Для оптимизации необходимо с увеличением передаваемой по ЛЭП активной мощности по определенным законам увеличивать общий уровень напряжения на ней и потребление из нее реактивной мощности. В какой-то мере такой режим может обеспечиваться описанными выше УРТ и УРАТ. Однако в силу технического несовершенства и недостаточного диапазона регулирования напряжения использование их для оптимального управления режимами протяженных ЛЭП весьма проблематично.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является УРАТ по [3], предназначаемый для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которому может быть подключена ЛЭП.
Для согласованного регулирования в требуемом диапазоне реактивной мощности и напряжения в управляемом шунтирующем реакторе-автотрансформаторе (УШРАТ), содержащем магнитопровод с основным стержнем и ярмами, сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки, обмотку управления и блоки управления током сетевой обмотки, основной стержень должен быть разделен на два продольных стержня, первый из которых охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а второй охватывает обмотка подмагничивания. Оба стержня с размещенными на них обмотками охватывает общая обмотка, создающая в стержнях основной магнитный поток. При вымещении этого потока из первого стержня магнитодвижущей силой обмотки управления изменяется величина э.д.с., индуцируемая в последовательной обмотке, что ведет к изменению напряжения в узле соединения последовательной и общей обмотки, к которому подключается электропередача. Ток обмотки управления может регулироваться блоком управления током сетевой обмотки. Вымещенная из первого стержня часть основного магнитного потока переключается в канал второго стержня и должна преодолевать его магнитное сопротивление, которое может изменяться в заданных пределах путем подмагничивания стержня специальными обмотками с регулируемым током. Для замыкания потока подмагничивания в пределах второго стержня он может быть разделен на два продольных полустержня с секциями обмотки подмагничивания, подключенными к блоку управления током сетевой обмотки.
Технический результат заключается в совмещении в УШРАТ функций регулирования реактивной мощности и регулирования в широком диапазоне напряжения на ЛЭП.
Описание изобретения. Этот результат достигается тем, что в управляемом шунтирующем реакторе - автотрансформаторе, содержащем магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне, сетевую обмотку, выполненную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки с выводом узла соединения между ними, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки блоки, основной стержень разделен на два продольных стержня, первый из которых охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а второй охватывает обмотка подмагничивания, при этом компенсационная обмотка и общая обмотка охватывают оба стержня с размещенными на них обмотками. Последовательная обмотка охватывает обмотку управления, а общая обмотка охватывает компенсационную обмотку. Второй стержень целесообразно подразделить на два продольныХ полустержня с подмагничиванием каждого из них в одном направлении секциями упомянутой обмотки, подключенными к блоку управления током сетевой обмотки. Поперечные сечения первого и двух полустержней второго стержней могут выполняться в форме сегментов круга, причем по всей окружности должны размещаться компенсационная и общая обмотки, вокруг сегмента первого стержня - последовательная и управляющая обмотки, а вокруг полустержней второго стержня - секции обмотки подмагничивания. Вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключается к электропередаче.
Конструкция УШРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего сплошной стержень 1, разделенный на две части стержень 2, торцевые ярма 3, боковые ярма 4, верхний 5 и нижний 6 кольцевые шунты с радиальными разрезами, обмотки управления 7, последовательной обмотки 8, компенсационной обмотки 9, общей обмотки 10 и обмотки подмагничивания 11 (фиг.1).
На фиг.2 показано поперечное сечение однофазного блока трехфазного УШРАТ. Стержень 1 и две части стержня 2, имеющие форму сегмента, охватываются соответствующими обмотками, которые сверху и снизу прикрываются кольцевыми шунтами, которые улавливают магнитный поток рассеяния и направляют его к ярмам.
На фиг.3 показана принципиальная однолинейная схема УШРАТ, на которой сетевая обмотка, состоящая из согласно включенных последовательной обмотки 8 и общей обмотки 10, включена на фазное напряжение, а компенсационная обмотка 9, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3-й гармонической, имеет фильтры высших гармонических, состоящих из последовательно соединенных конденсатора 12 и дросселя 13, настроенных в резонанс на частоте, подавляемой высшей гармоники. Обмотка управления 7 подключается к управляющему блоку 14, который формируется на основе встречно включенных тиристоров и служит для изменения режима работы сетевой обмотки. Обмотка подмагничивания 11 стержня 2 подключается к блоку 15 управления (регулирования) током сетевой обмотки УШРАТ.
УШРАТ предназначается для компенсации избыточной емкостной мощности, которая генерируется ЛЭП, и глубокого изменения на ней напряжения. Изменение потребляемой из ЛЭП реактивной мощности осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах магнитопровода. При увеличении сопротивления возрастает намагничивающая сила (ток) сетевой обмотки УШРАТ. Увеличение тока обмотки управления 7 вызывает вымещение магнитного потока из стержня 1 и постепенное переключение его в стержень с подмагничиванием 2. При этом последовательная обмотка 8 теряет сцепление с основным магнитным потоком ввиду его вытеснения из стержня 1, на котором размещена обмотка.
Этот режим характерен тем, что в последовательной обмотке 8 не индуцируется э.д.с., направленная встречно приложенному напряжению. Тогда потенциал начала обмотки 8 сообщается его концу и напряжение, приложенное к сетевой обмотке УШРАТ, переходит к выводу узла соединения последовательной и общей обмоток 16, то есть передается линии. УШРАТ в этом режиме не действует как понижающий автотрансформатор (для отправного конца линии), а потребляет из линии максимальную реактивную мощность.
Для осуществления оптимального по потере активной мощности режима дальней линии электропередачи необходимо изменять напряжение в ее конечных узлах в соответствии с выражением
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>P</mi><mo>/</mo><msub><mi>g</mi><mi>m</mi></msub></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                                            (1)</mtext></mrow>
m
m
где U - напряжение в начале (конце) линии, P - активная мощность в начале (конце) линии, g - параметр, определяемый обобщенными постоянными линии.
При этом реактивная мощность УШРАТ по концам линии должна изменяться по выражению
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>m</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>b</mi><mi>m</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                                           (2)</mtext></mrow>
m
m
m
где Q - мощность реактора в начале (конце) линии, U - оптимальное значение напряжения в начале (конце) линии, определяемое по (1), b - параметр, зависящий от обобщенных постоянных линии.
m
m
Параметры g и b определяются по формулам
<mrow><msub><mi>g</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mi>D</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder><munder accentunder="true"><mrow><mover><mi>C</mi><mo>∗</mo></mover></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder><munder accentunder="true"><mrow><mover><mi>A</mi><mo>∗</mo></mover></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mi>m</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>b</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder><munder accentunder="true"><mrow><mover><mi>C</mi><mo>∗</mo></mover></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>Re</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><munder accentunder="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder><munder accentunder="true"><mrow><mover><mi>A</mi><mo>∗</mo></mover></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
,
где A, B, C и D - обобщенные постоянные линии [5].
m
Напряжение на линии U, определяемое по (1), пропорционально корню квадратному из активной мощности соответствующего конца линии. Управление током обмотки управления 7, осуществляемое тиристорами блока 14, вызывает изменение напряжения на линии, которое должно быть максимально приближенным к значению по (1). Одновременно с этим происходит вымещение магнитного потока из стержня 1 в канал стержня 2. Магнитное сопротивление контура, по которому замыкается основной магнитный поток, в данном режиме будет определяться сопротивлением стержня 2, а ток сетевой обмотки равняться
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Φ</mi><msub><mi>R</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Φ</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub><mi>μ</mi><msub><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                        (3)</mtext></mrow>
1
1
M
эф
1
1
где N - число витков сетевой обмотки;  Φ - магнитный поток, создаваемый током I; µ - магнитная проницаемость среды, проводящей магнитный поток; R - магнитное сопротивление контура, по которому замыкается магнитный поток; l - средняя длина магнитного потока; F - площадь эффективного поперечного сечения магнитного потока (Александров Г.Н. Управляемые реакторы: принцип действия, основные характеристики и перспективы использования в электрических сетях // Электротехника. 2007, №4 [6]). При постоянстве приложенного к сетевой обмотке напряжения изменение тока I может быть получено путем изменения числа витков N и проницаемости магнитной среды µ. Первое достигается вымещением основного магнитного потока из зоны расположения последовательной обмотки 8. При этом будет повышаться коэффициент трансформации УШРАТ
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
10
8
где E и E - э.д.с., индуктируемые основным магнитным потоком соответственно в общей 10 и последовательной 8 обмотках.
0
Л
0
Изменение магнитной проницаемости µ достигается подмагничиванием магнитопровода стержня 2 выпрямленным током до требуемого значения. В остальных элементах магнитной системы УШРАТ индукция не должна превышать B=1,7-1,757T, в стержне 2 она может достигать значения B=2B. Поскольку УШРАТ работает в сети переменного тока, подмагничивание магнитопровода необходимо осуществлять в обоих направлениях, что возможно только при разделении магнитопровода стержня 2 на две части с подмагничиванием каждой из них в одном направлении специальными обмотками. Постоянный магнитный поток будет замыкаться в пределах продольных частей стержня 2, не заходя в другие элементы магнитопровода УШРАТ.
Специальные обмотки подмагничивания 11 получают питание от блока управления 15, осуществляющего требуемую степень подмагничивания стержня 2 в процессе изменения реактивного тока сетевой обмотки (по выражению (3)). При этом реактивная мощность, потребляемая УШРАТ, должна соответствовать значению по (2), отвечающему оптимальному по потерям активной мощности режиму дальней электропередачи.
8
10
10
8
Оптимальное по потерям значение напряжения на линии (выражение (1)) устанавливается управляющим блоком 14 путем вымещения магнитного потока из стержня 1, то есть из зоны расположения последовательной обмотки 8. Обмотка 7 замыкается управляемыми тиристорами блока 14 для создания условий необходимого вымещения магнитного потока из стержня 1. Напряжение короткого замыкания УШРАТ по обмотке управления 7 должно составлять значительную величину (порядка 100%). Последнее достигается соответствующим расположением сетевой и управляющей обмоток. Большая часть сетевой обмотки - общая обмотка 10 располагается на магнитопроводе с большим зазором по отношению к обмотке управления 7 (см. фиг.1, 2). Последовательная обмотка 8, которая является составной частью сетевой обмотки, имеет меньший зазор с обмоткой 7. Однако при учете соотношений числа витков обмоток 8 и 10 W=(0,25÷0,3)W величина напряжения короткого замыкания будет определяться числом витков обмотки 10(W>W), тем более что действие обмотки 8 исключается при повышении реактивного тока УШРАТ.
C,
При загрузке линии, составляющей (10÷20)% ее натуральной мощности P УШРАТ работает в режиме автотрансформатора, понижающего напряжение в начале линии на (30÷35)% от номинального уровня. Величина снижения общего уровня напряжения на линии согласуется с требованиями поддержания необходимого запаса устойчивости электропередачи.
Следует заметить, что УШРАТ в отправном конце линии работает на понижение напряжения, а в приемном конце - на повышение напряжения, до уровня напряжения шин приемного узла. На фиг.4 показана схема включения электропередачи сверхвысокого напряжения 17 между узлами соединения последовательной и общей обмоток 16 УШРАТ передающей и приемной энергосистем. Шины этих энергосистем 18 соединены с началами последовательных обмоток 8 УШРАТ посредством коммутационных аппаратов 19.
C
ЛЭП
ном.ЛЭП
C
C
C
C
В диапазоне изменения нагрузки линии до (0,2÷0,3)P напряжение на линии остается неизменным (например, U=0,7U). При дальнейшем повышении нагрузки регулируется (повышается) ток обмотки управления 7 и ток подмагничивания обмотки 11, благодаря чему повышается напряжение на линии и увеличивается потребляемая из линии реактивная мощность (по законам (1) и (2)). Этот процесс одновременного регулирования напряжения и реактивной мощности заканчивается при напряжении на линии, равном номинальному. Для линий 500 кВ с маркой провода 3-АСО-500 длиной 500, 1000, 1500 км указанное напряжение достигается при нагрузке линии соответственно равной 0,35 P, 0,6 P и 1,0 P (для ЛЭП-500 кВ P=900 МВт).
Предлагаемое устройство - УШРАТ позволяет осуществить оптимальное управление сверхдальними ЛЭП сверхвысокого напряжения, которое базируется на одновременном глубоком регулировании общего уровня напряжения и потребления избыточной мощности, генерируемой линией. При этом изменение коэффициента трансформации УШРАТ производится бесконтактным способом путем изменения сцепления основного магнитного потока с последовательной обмоткой 8, а регулирование потребляемой из ЛЭП реактивной мощности осуществляется изменением тока подмагничивания обмотки 11.
Использование УШРАТ сверхдальних ЛЭП позволяет осуществить:
- передачу энергии по линии без промежуточных устройств компенсации реактивной мощности;
- успешное внедрение ЛЭП повышенной натуральной мощности ввиду более эффективного способа компенсации избыточной емкостной мощности линии;
- снижением затрат на сооружение ЛЭП;
- более гибкое управление нормальными и послеаварийными режимами электропередачи.