ИСТОЧНИК РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
SOURCE OF REACTIVE POWER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110÷750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.
Известны традиционные средства компенсации и регулирования реактивной мощности в электрических сетях - синхронные компенсаторы (СК) и статические тиристорные компенсаторы (СТК). Аналогом предлагаемого изобретения по назначению и частично по составу оборудования является СТК, содержащий трехфазную силовую индуктивность и подключенную параллельно ей конденсаторную батарею [1]. Недостаток СТК в том, что он нуждается в закрытом помещении, специальном охлаждении деионизированной водой, специальном обслуживании, поскольку средством регулирования в них являются высоковольтные тиристорные ключи на номинальную мощность, не допускающую неизбежных в эксплуатации кратковременных и аварийных перегрузок. Кроме того, СТК не могут быть выполнены на напряжение 110÷750 кВ, что требует подключения их к промежуточному трансформатору на полную мощность либо к третичной обмотке существующих автотрансформаторов (что возможно в существующих сетях далеко не всегда). При этом значительно снижается эффективность регулирования реактивной мощности на стороне высокого напряжения. Кроме того, увеличивается стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации.
В то же время существует новый тип регулируемой силовой индуктивности - управляемый подмагничиванием реактор [2], на базе которого созданы источники реактивной мощности, лишенные указанных выше недостатков, успешно заменяющие СТК в сетях напряжением 110-750 кВ.
Наиболее близким по назначению и составу оборудования (прототипом) является источник реактивной мощности [3], в котором недостатки устройства-аналога частично устранены. В известном устройстве имеется трехфазная секционированная конденсаторная батарея, трехфазный, управляемый подмагничиванием реактор с сетевой обмоткой и обмоткой управления. Части обмоток управления соединены в открытые двойные треугольники, также соединенные с выходом источника подмагничивания - управляемого выпрямителя. Прототип обеспечивает эффективное регулирование реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования. Однако он имеет недостатки. Из-за необходимости обеспечения нормальной работы и соблюдения правил техники безопасности один ввод выпрямителя должен быть заземлен. При этом схема оказывается несимметричной, что приводит к возникновению опасных перенапряжений на выпрямителе при переходных режимах. Кроме того, имеются затруднения при выборе параметров элементов конденсаторных батарей и выпрямителя (например, их номинальных напряжений), что снижает технико-экономические характеристики и функциональные возможности источника реактивной мощности (ИРМ).
Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков, повышение надежности, улучшение технико-экономических характеристик и увеличение функциональных возможностей источника реактивной мощности.
Указанная цель достигается тем, что в источник реактивной мощности, содержащий трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из подключенных через выключатели секций, трехфазный, управляемый подмагничиванием реактор с шестью стержнями, причем стержни охвачены сетевыми обмотками, подключенными к сети высокого напряжения, и разделенными на части обмотками управления, фильтры высших гармоник, управляемый выпрямитель, ввод для заземления, систему автоматического управления, при этом части обмоток управления включены в открытые двойные треугольники и соединены с трансформатором питания управляемого выпрямителя и фильтрами высших гармоник, введена вторая трехфазная конденсаторная батарея, два открытых двойных треугольника частей обмоток управления соединены последовательно, общая точка последовательно соединенных двойных открытых треугольников подключена к вводу для заземления, а вторая трехфазная конденсаторная батарея подсоединена к обмоткам управления.
На фиг.1. дана принципиальная схема трехфазного источника реактивной мощности в однофазном изображении. На фиг.2 показано расположение обмоток на стержнях магнитопровода трехфазного, управляемого подмагничиванием реактора (УШР), на фиг.3 - схема трехфазных секционированных батарей статических конденсаторов (БСК), на фиг.4 - схема трехфазного индуктивно-емкостного LC-фильтра высших гармоник (ФКУ), на фиг.5 - схема управляемого полупроводникового выпрямителя (ПП). На фиг.6 показаны сетевые обмотки, схема их соединений, части обмоток управления и вводы реактора (А, В и С), на фиг.7 представлена схема соединений частей обмоток управления реактора. На фиг.8 и фиг.9 показаны два варианта однофазных, управляемых подмагничиванием реакторов для использования их в трехфазной группе.
1
К шинам 1 трехфазной сети 110-750 кВ (фиг.1) подсоединена первая трехфазная конденсаторная батарея 2 - БСК (фиг.2). Она имеет две секции 3 и 4 с секционными выключателями 5 и 6. К сети подключен УШР 7 через выключатель 8.
2
К обмотке управления реактора (ОУ) подключен своим выходом (вводами «+» и «-») управляемый полупроводниковый выпрямитель ПП 9 (фиг.1 и фиг.5), а также вторая трехфазная секционированная конденсаторная батарея БСК 10 (фиг.1) и трехфазный индуктивно-емкостной LC-фильтр высших гармоник (ФКУ) 11 (фиг.1 и фиг.4). ОУ подключена также к вводу для заземления 12 (фиг.1 и фиг.7).
Вход ПП 9 (вводы «≈») подсоединен к ОУ (питание трансформатора в ПП переменным током, фиг.1 и фиг.5).
1
2
Управление ПП 9 осуществляется системой автоматического регулирования 13 (САУ), к которой подводятся сигналы от трансформаторов тока и напряжения (на схеме не показаны). САУ 13 осуществляет автоматическое (при необходимости и ручное) регулирование тока подмагничивания и реактивной мощности УШР 7, управление коммутацией секционных выключателей БСК 2 и БСК 10, а также ряд других функций регулирования и защиты в аварийных режимах.
Магнитная система УШР (фиг.2) содержит шесть стержней 14 (по 2 стержня на каждую фазу), а также ярма - вертикальные 15 и горизонтальные 16. Обозначение стержней A1, A2, B1, B2, C1 и C2. Каждый стержень 14 охвачен сетевой обмоткой 17 и ОУ, разделенной на две части 18 и 19.
Расположение в магнитопроводе УШР стержней 14 в порядке A1-B1-C1-A2-B2-C2 необходимо для обеспечения оптимального распределения магнитной индукции по частям ярем, что обеспечивает минимальный расход электротехнической стали в ярмах.
1
2
1
2
1
2
11
12
21
22
Сетевые обмотки (СО) 17 стержней каждой фазы соединены попарно параллельно: A и A, B и B, C и C (фиг.6). Две части обмотки управления 18 и 19 первого стержня A1 фазы A обозначены а и а (первый индекс - номер стержня, второй - номер части обмотки управления на стержне, при этом единицей обозначена верхняя часть, а двойкой - нижняя). Соответственно две части ОУ 18 и 19 второго стержня A2 фазы A обозначены а и а. Аналогично обозначены части ОУ стержней B1, B2, C1 и C2 других фаз. Части обмоток 17 и 18 соединены в четыре открытых треугольника. Попарно открытые треугольники соединены параллельно:
11
11
11
12
12
12
с, в, а-в, а с и
21
21
21
22
22
22
а, с, в-в, а с,
Эти параллельно соединенные двойные открытые треугольники включены последовательно. Общая точка последовательно соединенных двойных открытых треугольников присоединена к вводу для заземления 12 (фиг.7).
2A
2B
2C
11
11
11
12
12
12
2A
11
11
11
12
2B
11
11
12
12
2C
21
21
22
22
A
B
C
2A
2B
2C
Фазы батарей конденсаторов БСК, БСК и БСК подсоединяются к ОУ между попарно соединенными параллельно открытыми треугольниками к точкам соединений частей ОУ внутри каждого треугольника. На фиг.7 в левых попарно соединенных треугольниках с, в, а, и в а с фаза A батареи БСК подключена одним вводом к точке соединения частей ОУ с и в, а вторым вводом - к точке соединения частей ОУ в и a. Соответственно фаза БСК - к точке соединений частей ОУ в и а и к точке соединения частей ОУ а и с. В правых попарно соединенных треугольниках фаза БСК подключена к точке соединения частей ОУ a и с и к точке соединения частей ОУ в и а. Фазы фильтра высших гармоник ФКУ, ФКУ и ФКУ подсоединяются параллельно соответствующим фазам БСК, БСК и БСК (фиг.7).
21
21
22
22
Питание ПП от ОУ осуществляется подключением входа ПП (вводы «≈») к точке соединения частей ОУ с и в и к точке соединения частей ОУ а и с (фиг.7).
11
22
2A
2B
2C
A
B
C
Расположение двенадцати частей ОУ 18 и 19 а…с в определенном порядке в каждом из 4-х открытых треугольников необходимо для того, чтобы обеспечить симметричное трехфазное напряжение на фазах БСК, БСК и БСК и фазах ФКУ, ФКУ и ФКУ. Кроме того, применяя заданный порядок расположения частей обмоток, можно варьировать величину напряжения: U, 2U или √3U, где U - напряжение одной части ОУ в режиме холостого хода реактора.
а
в
c
а
Например, в варианте на фиг.7 на фазы БСК; и ФКУ подается трехфазное напряжение величиной U, U и U, а на вход ПП (на вводы «≈» на фиг.1 и фиг.5) - напряжение величиной U. По модулю все напряжения равны U.
При необходимости экспертизе могут быть предоставлены подробные обоснования выбора чередования частей ОУ в открытых треугольниках.
Выполнение УШР, входящего в состав ИРМ, возможно не только в виде трехфазного реактора с одним магнитопроводом (фиг.2), но и в виде трехфазной группы однофазных реакторов.
В магнитопроводе каждого однофазного реактора имеется два стержня 14, ярма вертикальные 15 и горизонтальные 16 (фиг.8 и фиг.9). Стержни охвачены сетевой обмоткой 17 и ОУ, состоящей на каждом стержне из двух частей 18 и. 19. Если стержни 14 и части ОУ 18 и 19 имеют круглое сечение, то оба стержня реактора охвачены двумя круглыми сетевыми обмотками 17 (фиг.8). Если стержни 14 и части ОУ 18 и 19 имеют овальное сечение, то оба стержня реактора охвачены одной круглой сетевой обмоткой 17 (фиг.9). В трехфазной группе однофазных реакторов в сумме имеется шесть стержней, охваченных сетевой обмоткой и частями ОУ. Поэтому для трехфазной группы применяются все ранее рассмотренные схемы соединений.
ОУ конструктивно может быть выполнена как в виде обмотки, разделенной по высоте на две части 18 и 19 (фиг.2, фиг.8, фиг.9), так и в виде двух обмоток, расположенных концентрично, или двух обмоток, вмотанных друг в друга.
Источник реактивной мощности работает следующим образом.
1
2
При полной нагрузке сети (в дневное время суток) из-за падения напряжения возникает недостаток реактивной мощности и снижение напряжения сети. САУ 13, получив соответствующую информацию о величине напряжения в сети, вырабатывает и передает сигналы на включение выключателями секций БСК 2 и БСК 10 и снижение до нуля напряжения УШР 7. УШР 7 снижает свой ток до минимального и переходит в режим холостого хода. ИРМ переходит в режим выдачи в сеть максимальной реактивной мощности от конденсаторной батареи.
1
2
При снижении нагрузки (например, в ночное время суток) и ее отсутствии (в аварийных ситуациях) в сети имеется избыточная реактивная мощность из-за наличия распределенной емкости сети на землю. В сети возникает повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа ИРМ в режиме потребления реактивной мощности. В этом случае САУ 13 автоматически обеспечивает работу в режиме потребляемой устройством реактивной мощности при отключенных БСК 2 и БСК 10 и включенном на полную мощность УШР 7. В этом режиме ПП 9, питаемый от обмоток управления УШР 7, загружен на полную мощность. Двойные открытые треугольники частей обмоток управления фактически переходят в режим работы, при котором цепи постоянного тока и подмагничивания и цепи переменного тока питания трансформаторов электрически работают независимо. В этом режиме, как и во всех режимах нагрузки, реактор фактически работает как реактор-трансформатор.
1
2
В промежуточных режимах при изменении нагрузки в сети происходит изменение напряжения, и САУ 13, которая, регулируя ток подмагничивания УШР 7 и включение или отключение секций БСК 2 и БСК 10, автоматически поддерживает напряжение сети в заранее установленных в САУ 13 пределах.
1
2
1
2
1
2
При работе УШР в заданных режимах в его токе могут возникать нелинейные искажения высшими гармониками. Радикальное снижение всех высших четных гармоник тока достигается параллельным включением двух СО в каждой фазе (A и A, B и B, C и C). Радикальное снижение всех высших гармоник, кратных трем, достигается включением в треугольник ОУ. Включенный LC-фильтр ФКУ 11 обеспечивает необходимое снижение уровня высших гармоник (в основном 5-й и 7-й гармоник). Все указанные меры обеспечивают снижение нелинейных искажений в токе УШР и в напряжении на его сетевых вводах (A, B и C) до уровня, необходимого для соблюдения норм качества электрической энергии у потребителей.
Отличием предлагаемого ИРМ от известных устройств является то, что схема позволяет осуществить симметричное заземление цепи обмоток управления УШР 7 и преобразователя ПП 9, что исключает возникновение на низковольтных ОУ недопустимого «плавающего потенциала» из-за емкостных и индуктивных паразитных связей со стороной высокого напряжения и из-за трансформирования перенапряжений со стороны сетевых обмоток. Это опасно из-за возможных разрядов и пробоев изоляции в УШР.
Полная симметричность схемы гарантирует отсутствие опасных перенапряжений на низковольтном выходе ПП (вводы «+» и «-») со стороны управляемого реактора при любых стационарных и переходных режимах, что опасно для тиристоров ПП, которые могут быть повреждены. Симметричность схемы отличает предлагаемое устройство и от прототипа, и от всех аналогов.
Повышение надежности ИРМ, гарантированное отсутствием опасных перенапряжений за счет полной симметричности схемы, полученное установкой новых связей между элементами устройства, - это один из основных положительных факторов. Также улучшаются другие технико-экономические характеристики ИРМ-конденсаторных батарей и LC-фильтров высших гармоник - за счет возможности оптимального выбора их номинальных напряжений. Полученные преимущества нового устройства в сумме увеличивают функциональные возможности ИРМ.
Работоспособность ИРМ и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, математическим моделированием, результатами испытаний аналогичных устройств. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов ИРМ для серийного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, №2.
2. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей./ Под ред. доктора тех. наук проф. А.М.Брянцева. - М.: Знак. 2004.
3. Патент на изобретение РФ №2335026 по заявке №2007128878, приоритет изобретения 27.07.2007. Опубликовано 27.09.2008.