ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР - СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно к высоковольтным комплексам электротехнического оборудования для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения в высоковольтных электрических сетях напряжением 10 - 750 кВ, в состав которого входит управляемый шунтирующий реактор (УШР), в котором регулирование мощности осуществляется путем изменения величины постоянного тока в контуре подмагничивания стержней магнитопровода реактора.
Известно устройство компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения в электрических сетях - статический компенсатор реактивной мощности (Брянцев A.M., Долгополов А.Г. Статический компенсатор реактивной мощности. Патент РФ №2282912, опубликован 28.08.2006, бюл. №24. [1]). Данный статический компенсатор реактивной мощности (СКРМ), являющийся аналогом предлагаемой полезной модели, содержит конденсаторную батарею, фильтры высших гармоник, регулируемую индуктивность, представляющую собой трехфазный управляемый подмагничиванием реактор. Конструкция магнитопровода электромагнитной части аналога плоскошихтованная, что характерно для конструкций магнитопроводов трансформаторов, шестистержневая, по два стержня на каждую фазу сети. Первичная обмотка соединена по схеме «звезда». Вторичная обмотка соединена по схеме «треугольник». К выводам вторичной обмотки подключаются конденсаторная батарея и фильтры пятой и седьмой гармоник. Кроме первичной и вторичной обмоток на стержнях магнитопровода расположена и отдельная обмотка управления, к которой подключается управляемый тиристорный преобразователь (выпрямитель) системы подмагничивания.
Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, по своему назначению, является статическим компенсатором реактивной мощности, т.к. УШР представляет собой комплекс оборудования, в состав которого для ряда схем входит конденсаторная батарея, выполняющая функции фильтра высших гармоник и обеспечивающая улучшение формы кривой тока в сетевой обмотке (Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сборник статей под редакцией А.М.Брянцева. М. Знак. 2010. с. 62 [2]), т.е. в общем случае УШР может называться УШР-СКРМ.
Плоскошихтованная конструкция стержней магнитопровода электромагнитной части аналога приводит к тому, что фильтры высших гармоник должны быть постоянно включены, т.к. при такой конструкции стержней магнитопровода максимальное действующее значение всех высших гармоник в сетевом токе без фильтров достигает 4 - 5%, в то время как допустимый уровень содержания высших гармоник в сетевом токе устройства в соответствии с нормативными документами составляет 3% (СТО 56947007-29.180.03.198-2015. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей напряжением 110-500 кВ. Типовые технические требования. ОАО «ФСК ЕЭС» [3]).
Для конструкции и схемы обмоток аналога значение напряжения короткого замыкания между первичной (сетевой) и вторичной (компенсационной) обмотками не менее 50%, что приводит к значительному увеличению напряжения на вторичной обмотке при включении конденсаторной батареи и работе в режиме выдачи максимальной реактивной мощности. Кроме того, большое значение напряжения короткого замыкания приводит к низкому качеству напряжения на вторичной (компенсационной) обмотке из-за большого диапазона изменения напряжения на ней в процессе работы реактора, что может препятствовать возможности организации питания от этой обмотки каких либо нагрузок, например, собственных нужд подстанции.
Частично указанные недостатки устранены в прототипе предлагаемой полезной модели (Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор. Полезная модель РФ №136919, опубликовано 20.01.2014, бюл. №2. [4]), который является наиболее близким по составу оборудования к заявляемому устройству.
Выбранный прототип - управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, электромагнитная часть которого имеет конструкцию стержней магнитопровода, характерную для конструкций магнитопроводов традиционных неуправляемых шунтирующих реакторов, т.е. радиально шихтованный магнитопровод переменного сечения с воздушными зазорами. Каждая фаза реактора состоит из двух полуфаз, обмотки которых расположены на двух разных стержнях магнитопровода. Для каждой фазы высоковольтные выводы обмоток полуфаз соединены и через высоковольтные вводы подключаются к фазам сети с помощью высоковольтных выключателей. Нейтральные выводы сетевых обмоток трех фаз реакторов соединяются по три, образуя схему соединения сетевых обмоток «двойная звезда с расщепленной нейтралью», имеют отдельные выводы из бака реактора и заземлены через нейтральный реактор.
Между нейтральными выводами трехфазного управляемого реактора включается управляемый тиристорный преобразователь системы подмагничивания.
Питание преобразователя может осуществляться от компенсационной обмотки УШР через преобразовательный трансформатор, согласующий параметры преобразователя и компенсационной обмотки УШР по уровням напряжения, либо от сети собственных нужд подстанции.
В прототипе сетевые обмотки УШР используются одновременно и как обмотки подмагничивания. Для конструкции и схемы обмоток прототипа напряжение короткого замыкания между первичной (сетевой) и вторичной (компенсационной) обмотками составляет 20 - 25%, что более чем в 2 раза меньше, чем у аналога.
В схеме прототипа отсутствуют конденсаторные батареи и/или фильтры высших гармоник, т.к. принятая конструкция магнитопровода обеспечивает уровень высших гармоник в сетевом токе реактора не более 2%, т.е. значительно ниже допустимого нормативными документами, без применения каких-либо фильтрокомпенсирующих устройств (Ковалев В.Д., Мастрюков Л.А., Ивакин В.Н. Управляемый шунтирующий реактор напряжением 500 кВ типа УНШРТД 180000/500. // ЭЛЕКТРО. 2013. №5 [5]).
Недостатком прототипа является то, что он работает только в диапазоне потребления (индуктивной) реактивной мощности, в то время как для целого ряда узлов электрической сети, а также характеристик нагрузки, требуется возможность работы в диапазоне выдачи (емкостной) реактивной мощности. Кроме того, при резких изменениях режима работы реактора, в переходных режимах электрической сети, особенно при возникновении несимметричных режимов, на нейтралях реактора возникают перенапряжения. Амплитуда перенапряжений в нейтрали в значительной степени зависит от индуктивности нейтрального реактора, а затухание апериодической составляющей перенапряжения в нейтралях УШР в значительной степени зависит от величины потерь энергии в схеме УШР, прежде всего в нейтральных реакторах, т.е. от активного сопротивления нейтрального реактора.
Целью заявляемой полезной модели является исключение указанных недостатков.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности за счет увеличения диапазона регулирования практически до двойного значения мощности реактора и обеспечения режимов как потребления, так и выдачи реактивной мощности, низкий уровень высших гармоник в сетевом токе устройства без применения фильтров, повышение надежности работы оборудования, включенного в нейтрали реактора за счет снижения перенапряжений, повышения качества напряжения на вторичной обмотке и снятия ограничений на подключение к этой обмотке каких-либо дополнительных нагрузок, в частности, собственных нужд подстанции.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве УШР, содержащем расщепленные сетевые обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопровода и соединенные с нейтральными выводами, источник постоянного тока подмагничивания, полюса постоянного тока которого подключены к нейтральным выводам реактора, а вход переменного тока к выводам компенсационной обмотки через промежуточный трансформатор, систему управления, регулирования, защиты и автоматики, дополнительно между выводами компенсационной обмотки реактора и землей включены последовательно соединенные выключатель и конденсаторная батарея, причем система управления, регулирования, защиты и автоматики соединена с цепями управления выключателя и выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции, между нейтральными выводами реактора и землей включены резисторы, активное сопротивление которых от 20 до 100 раз превышает активное сопротивление сетевых обмоток между нейтральными выводами реактора.
Схема предлагаемого управляемого шунтирующего реактора - статического компенсатора реактивной мощности (УШР-СКРМ) показана на фиг. 1.
Каждая фаза 1 трехфазного УШР-СКРМ, показанного на фиг. 1, содержит общую магнитную систему с двумя стержнями и расположенными на них расщепленной сетевой обмотки 2, 3 и секциями вторичной обмотки 4, 5. Сетевые обмотки стержней имеют общий высоковольтный линейный вывод и два нейтральных вывода, выводимые на крышку бака шунтирующего реактора, также как и выводы компенсационной обмотки. Между нейтральными выводами реактора и землей включены резисторы 6. К нейтральным выводам реактора подключается выход постоянного тока преобразователя источника подмагничивания 7 с системой управления, регулирования, защиты и автоматики УШР-СКРМ 8. Выводы компенсационных обмоток трех фаз шунтирующего реактора собираются в треугольник для компенсации в фазном токе реактора гармоник кратных 3. К этим же выводам подключен промежуточный трансформатор 9, питающий вход переменного тока преобразователя источника подмагничивания 7. К выводам компенсационных обмоток трех фаз шунтирующего реактора подключается конденсаторная батарея 10 через трехфазный выключатель 11, цепи управления которого соединены с системой управления, регулирования, защиты и автоматики УШР-СКРМ 8, соединенной с выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции 12.
Управляемый подмагничиванием УШР-СКРМ, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.
При отключенном выключателе 11 устройство работает в диапазоне индуктивной мощности от нуля до номинальной мощности реактора (без учета перегрузочной способности). Если при работе устройства с минимальной индуктивной мощностью напряжение в точке регулирования в течение заданного интервала времени оказывается меньше уставки регулирования, системой регулирования и автоматики 8 подается сигнал на включение выключателя 11 и к вторичной обмотке реактора подключается конденсаторная батарея. Устройство переходит в режим выдачи (емкостной) реактивной мощности и напряжение в точке регулирования увеличивается. В этом режиме диапазон регулирования устройства составляет от номинальной емкостной мощности (при номинальном напряжении), определяемой мощностью генерируемой через сетевую обмотку 2, 3 конденсаторной батареи и значением мощности реактора за вычетом мощности конденсаторной батареи. Если при работе с минимальной емкостной мощностью напряжение в точке регулирования в течение заданного интервала времени оказывается больше уставки регулирования, системой регулирования и автоматики 8 подается сигнал на отключение выключателя 11 и устройство переходит в режим работы в индуктивном диапазоне. При мощности, генерируемой конденсаторной батареей через сетевую обмотку, равной номинальной мощности реактора диапазон генерируемой мощности будет равен номинальной мощности реактора, а общий диапазон регулирования реактивной мощности устройства будет равен двойной мощности реактора. Связь системы регулирования и автоматики 8 с выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции 12 позволяет оптимизировать условия и число коммутаций выключателя 11. Диапазон изменения напряжения на вторичной обмотке при работе устройства соответствует напряжению короткого замыкания, т.е. не более 20-25%. В соответствии с требованиями стандартов на качество напряжения для сетей напряжением до 220 кВ допустимое отклонение напряжение на шинах равно +/-10%, т.е. диапазон изменения напряжения составляет 20%, поэтому при выборе номинального напряжения вторичной обмотки, соответствующего напряжению при средней мощности реактора, можно обеспечить требуемое качество напряжения на шинах и возможность питания от вторичной обмотки дополнительной нагрузки, например, собственных нужд подстанции. При резких изменениях режима реактора, связанными с быстрыми наборами и сбросами мощности, коммутациями конденсаторной батареи, коммутационными режимами в электрической сети резисторы в нейтрали, индуктивность которых ничтожна по сравнению с индуктивностью нейтральных реакторов с таким же активным сопротивлением, как у резистора, ограничивают амплитуду перенапряжений до минимальных значений, что обеспечивает снижение электрических воздействий на оборудование, включенное в нейтрали реактора, прежде всего на тиристорный преобразователь системы подмагничивания, что приводит к повышению надежности его работы. Резисторы в нейтрали, обеспечивая заземление реактора, одновременно шунтируют его сетевые обмотки, что приводит к необходимости увеличения выпрямленного тока пребразователя источника подмагничивания. При активном сопротивлении резисторов, от 20 до 100 раз превышающем активное сопротивление сетевых обмоток между нейтральными выводами реактора, обеспечивается допустимый уровень перенапряжений при минимальном увеличении тока преобразователя.
Заявляемое техническое решение исследовалось на математических моделях УШР-СКРМ и показало высокую эффективность компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на подстанциях электроэнергетических систем.
Источники информации:
1. Брянцев A.M., Долгополов А.Г. Статический компенсатор реактивной мощности. Патент РФ №2282912, опубликован 28.08.2006, бюл. №24.
2. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сборник статей под редакцией А.М.Брянцева. М. Знак. 2010. с. 62
3. СТО 56947007-29.180.03.198-2015. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей напряжением 110-500 кВ. Типовые технические требования. ОАО «ФСК ЕЭС».
4. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор. Полезная модель РФ №136919, опубликовано 20.01.2014, бюл. №2.
5. Ковалев В.Д., Мастрюков Л.А., Ивакин В.Н. Управляемый шунтирующий реактор напряжением 500 кВ типа УНШРТД 180000/500. // ЭЛЕКТРО. 2013, №5