УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР
SHUNT REACTOR CONTROLLED BY MAGNETIC BIASING

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к устройствам управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШР), представляющих собой комплексы электротехнического оборудования для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП). УШР содержит электромагнитную часть, преобразователь подмагничивания с управляемым выпрямителем и трансформатором питания, систему управления, регулирования, защиты и автоматики, причем электромагнитная часть содержит магнитопровод с двумя стержнями на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, имеющие выводы на баке электромагнитной части реактора.
Известен аналог - управляемый шунтирующий реактор, сетевые обмотки которого используются одновременно и как обмотки подмагничивания (Бударгин О.М., Макаревич Л.В., Мастрюков Л.А. Управляемый насыщающийся реактор мощностью 180 МВА, напряжением 500 кВ ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД». ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. №6, 2012, стр.28, рис. 1. [1]). Электромагнитная часть реактора данного типа содержит магнитопровод с двумя стержнями на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые и компенсационные обмотки, образующие полуфазы. Высоковольтные выводы обмоток полуфаз соединены и через высоковольтные вводы подключаются к фазам сети с помощью высоковольтных выключателей. Нейтральные выводы обмоток полуфаз имеют отдельные выводы из бака реактора. Нейтральные выводы сетевых обмоток трех фаз соединяются по три, образуя схему соединения сетевых обмоток «двойная звезда с расщепленной нейтралью», и заземлены через нейтральный реактор. Сетевые обмотки являются одновременно и обмотками управления. К нейтральным выводам сетевых обмоток трехфазного управляемого реактора подключается выход постоянного тока преобразователя подмагничивания с управляемым выпрямителем и трансформатором питания, первичные обмотки которого подключается либо к выводам треугольника компенсационной обмотки УШР, либо к сети собственных нужд подстанции за счет наличия в схеме питания специальных высоковольтных коммутационных аппаратов (выключателей).
Известный аналог [1] имеет ряд недостатков:
- при питании преобразователя подмагничивания от компенсационной обмотки затруднена форсировка мощности реактора в момент включения, что особенно важно для использования УШР в качестве линейного реактора в режимах одностороннего включения ЛЭП на холостой ход, когда реакторы являются одним из основных средств ограничения перенапряжений на конце включаемой ЛЭП, т.к. до включения ЛЭП отсутствует подмагничивание стержней магнитопровода реактора, что соответствует минимальной мощности УШР и минимальному влиянию УШР на ограничение перенапряжений в момент включения ЛЭП;
- при питании преобразователя подмагничивания от сети собственных нужд требуется решение проблемы соответствия показателей качества напряжения в питающей сети требованиям нормативных документов, т.к. управляемый выпрямитель генерирует в сеть высшие гармоники тока, вызывающие искажение синусоидальности напряжения в питающей сети, а изменения величины потребляемой выпрямителем активной и реактивной мощности в процессе работы приводят к колебаниям и отклонениям напряжения;
- перевод преобразователя подмагничивания с питания от сети собственных нужд на питание от компенсационной обмотки сопровождается сбросом мощности реактора на время, необходимое для технологических операций по отключению и включению высоковольтных коммутационных аппаратов, обеспечивающих требуемый тип питания преобразователя подмагничивания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является управляемый шунтирующий реактор (Управляемый шунтирующий реактор на Игналинской АЭС. Ввод в эксплуатацию. А. Долгополов и др., Новости электротехники, №6 (54), 2008, рис. 7, [2]), принятый за прототип. В нем частично устранены недостатки аналога. Электромагнитная часть данного реактора содержит магнитопровод с двумя стержнями на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, компенсационные обмотки и обмотки управления. Обмотки управления соединены с преобразователем подмагничивания, включающим параллельно соединенные по стороне постоянного тока управляемые выпрямители стационарного режима работы с трансформаторами питания, подключенными к выводам компенсационной обмотки УШР, и управляемые выпрямители форсировочного режима работы и начального подмагничивания с трансформаторами питания, подключенными к сети собственных нужд подстанции. Для повышения быстродействия УШР трансформаторы питания выпрямителей форсировочного режима работы и начального подмагничивания, подключенные к сети собственных нужд подстанции, имеют вторичное напряжение существенно выше, чем трансформаторы питания выпрямителей стационарного режима работы, подключенные к компенсационной обмотке УШР, причем выпрямители форсировочного режима работы и начального подмагничивания могут быть включены последовательно по стороне постоянного тока, что позволяет получить выпрямленное напряжение, прикладываемое к обмотке управления УШР, в 30 раз большее, чем напряжение, необходимое для поддержания номинального тока подмагничивания в установившемся режиме, т.е. обеспечивать 30-кратную форсировку напряжения подмагничивания.
Однако реактор-прототип имеет недостатки. При питании управляемых выпрямителей от сети собственных нужд необходимо обеспечить выполнение требований по снижению влияния работы данных выпрямителей на качество напряжения в питающей сети, что приводит к необходимости установки дополнительных компенсирующих устройств или увеличению мощности сети собственных нужд подстанции. Кроме того, параллельная работа выпрямителей с разными диапазонами напряжения подмагничивания при работе каждого из них в своем диапазоне изменения параметра регулирования неизменно приводит к снижению быстродействия в зоне малых изменений параметра регулирования (выпрямитель форсировочного режима при малых изменениях параметра не работает), к снижению эффективности использования установленной мощности выпрямителей, усложняет систему управления преобразователя подмагничивания.
Целью изобретения является исключение указанных недостатков и увеличение функциональных возможностей реактора.
Указанная цель достигается за счет того, что в известном устройстве управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора, содержащего электромагнитную часть, имеющую магнитопровод с двумя стержнями на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, причем обмотки управления могут быть совмещены с сетевыми обмотками, преобразователь подмагничивания с управляемым выпрямителем и трансформатором питания, имеющим первичные и вторичные обмотки, причем вторичные обмотки соединены с входом переменного тока управляемого выпрямителя, выход постоянного тока которого соединен с обмотками управления, систему управления, регулирования, защиты и автоматики, новым является то, что в преобразователь подмагничивания введены преобразователь переменного тока в постоянный и второй трансформатор питания, имеющий первичные и вторичные обмотки, причем первичные обмотки соединены с выводами компенсационной обмотки реактора, а вторичные обмотки соединены с входом переменного тока преобразователя переменного тока в постоянный, преобразователь постоянного тока в переменный, выход переменного тока которого соединен с первичными обмотками трансформатора питания управляемого выпрямителя, накопитель электрической энергии, соединенный с входами постоянного тока преобразователя постоянного тока в переменный и преобразователя переменного тока в постоянный, а система управления, регулирования, защиты и автоматики соединена с цепями управления преобразователей постоянного тока в переменный, переменного тока в постоянный, управляемого выпрямителя и накопителя электрической энергии.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Принципиальная схема предлагаемого управляемого шунтирующего реактора показана на фиг. 1.
УШР, показанный на фиг. 1, содержит электромагнитную часть 1 с магнитопроводом, на стержнях которого расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, преобразователь подмагничивания 2 с системой управления, регулирования, защиты и автоматики 3. На крышку бака реактора выведены высоковольтные выводы 4 сетевых обмоток, подключаемые через трехфазный высоковольтный выключатель 5 к сети высокого напряжения 6, выводы 7 компенсационных обмоток, которые в трехфазном реакторе собираются в треугольник для компенсации в фазном токе реактора гармоник кратных трем, выводы обмоток управления 8. К выводам обмоток управления 8 подключен выход постоянного тока управляемого выпрямителя 9, вход переменного тока которого через трансформатор питания 10 соединен с выходом переменного тока преобразователя постоянного тока в переменный (инвертора напряжения) 11 с регулируемым выходным напряжением. К выводам компенсационных обмоток 7 подключен трансформатор питания 12 преобразователя переменного тока в постоянный (управляемого выпрямителя) 13. Входы постоянного тока преобразователей 11 и 13 соединены с накопителем электрической энергии (НЭЭ) 14. Цепи управления преобразователями 9, 11, 13 и НЭЭ 14 соединены с системой управления, регулирования, защиты и автоматики 3.
Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.
Подключение управляемого шунтирующего реактора к уже работающей ЛЭП, при напряжении на ЛЭП в допустимых пределах, для исключения влияния сильных электромагнитных возмущений на режим работы ЛЭП, происходит с минимальной мощностью реактора (режим холостого хода) с последующим увеличением мощности в соответствии с требованиями диспетчера, который задает соответствующие уставки в системе управления УШР по напряжению на шинах, мощности или току УШР.
В нормальном режиме, при включенном выключателе УШР со стороны сетевой обмотки и при наличии напряжения на ЛЭП, есть напряжение на выводах компенсационной обмотки реактора, и преобразователь подмагничивания 2 путем изменения тока управляемого выпрямителя 9 поддерживает ток, мощность реактора или заданное напряжение на шинах в зависимости от выбранного алгоритма управления. При этом управляемый выпрямитель 9 питается от компенсационной обмотки УШР через преобразователи 11 и 13 и трансформаторы питания 10 и 12. При этом диапазон изменения выпрямленного напряжения, подаваемого на обмотку управления реактора от выпрямителя 9 определяется регулированием не только угла управления выпрямителя 9, но и выходного напряжения инвертора 11, поэтому быстродействие реактора оказывается максимальным как при небольших диапазонах изменения регулируемой величины, так и при больших диапазонах регулирования. Для реакторов с номинальным напряжением 220-500 кВ величина быстродействия, характеризуемая временем набора и сброса мощности в максимальном диапазоне, т.е. от минимального до номинального значения, а также от номинального до минимального значения, как правило, задается заказчиком и составляет доли секунды. Для предлагаемого УШР, при наборе и сбросе мощности в диапазоне регулирования меньше максимального, обеспечивается не только более высокое быстродействие, но и более точное поддержание заданного значения напряжения на шинах, тока или мощности УШР в зависимости от выбранного алгоритма управления.
Максимальное быстродействие (форсировка мощности) требуется от управляемого шунтирующего реактора в режимах, сопровождающихся перенапряжениями на оборудовании ЛЭП. Прежде всего это важно при использовании УШР в качестве линейного реактора в режимах одностороннего включения линии электропередачи (ЛЭП) на холостой ход, а также при автоматическом повторном включении (АПВ) линии, когда реакторы являются одним из основных средств ограничения перенапряжений на конце включаемой ЛЭП. При этом быстродействие реактора определяет длительность перенапряжений на оборудовании и снижение энергии, выделяющейся в ограничителях перенапряжений (ОПН), защищая их от повреждения. Данные режимы проходят под управлением диспетчерского персонала, автоматики ЛЭП и подстанций, позволяя скоординировать действие этой автоматики с работой системы управления, регулирования, защиты и автоматики УШР.
Максимальное быстродействия УШР в этих режимах обеспечивается за счет предварительного намагничивания магнитопровода УШР, что при отсутствии напряжения на компенсационной обмотке обеспечивается за счет энергии, запасенной накопителем электрической энергии 14. Накопителем в предлагаемом УШР может быть любой накопитель электрической энергии на основе химических источников тока того или иного вида (аккумуляторные батареи), конденсаторных батарей, включая молекулярные, маховиковых устройств и т.д. В зависимости от вида, НЭЭ может иметь в своем составе преобразователи, обеспечивающие заряд, хранение и выдачу в требуемый момент времени электрической энергии. В нормальном режиме работы УШР заряд НЭЭ осуществляться от компенсационной обмотки через преобразователь 13. Предварительный заряд НЭЭ при длительных отключениях реактора от высоковольтной сети может, при необходимости, осуществляться и от сети собственных нужд подстанции через специальное зарядное устройство, входящее в состав НЭЭ.
Для подмагничивания магнитопровода реактора в условиях отсутствия напряжения на компенсационной обмотки инвертор напряжения 11 преобразует постоянное напряжение НЭЭ 14 в трехфазное переменное напряжение, которое через трансформатор питания 10 подается на вход переменного тока управляемого выпрямителя 9. Напряжение постоянного тока управляемого выпрямителя 9 подается на обмотку управления реактора, обеспечивая начальное подмагничивание стержней магнитопровода. При этом величина напряжения на входе управляемого выпрямителя 9, регулируемая инвертором напряжения 11, такова что при минимальных углах управления выпрямителя 9 обеспечивается минимальный ток подмагничивания. Это позволяет минимизировать потери в преобразователе подмагничивания и снизить электрические воздействия на силовые полупроводниковые приборы. Увеличивая выходное напряжение инвертора 11, можно сократить, если требуется, время, необходимое для подмагничивания магнитопровода УШР. Таким образом, наличие НЭЭ 14 в схеме преобразователя подмагничивания 2 позволяет обеспечить форсировку напряжения подмагничивания магнитопровода УШP в паузу трехфазного АПВ (при отсутствии напряжения на выводах компенсационной обмотки реактора), в том числе в ситуациях, когда до момента отключения реактор работал в режиме небольшой мощности, т.е. с малым током подмагничивания.
0
Подключение к высоковольтной сети реактора, у которого стержни подмагничены до индукции насыщения стали В, обеспечивает практически мгновенное включение УШР с мощностью близкой к номинальной.
После подключения реактора к сети и появления напряжения на выводах компенсационной обмотки система управления, регулирования, защиты и автоматики 3 форсирует выпрямленное напряжение преобразователя 9, что приводит к увеличению тока подмагничивания до величины, соответствующей заданной уставке в системе управления УШР. Дальнейший режим работы шунтирующего реактора определяется выбранным алгоритмом системы управления УШР.
Заявляемое техническое решение исследовалось на математических моделях управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора и показало высокую эффективность для повышения быстродействия управляемых шунтирующих реакторов, используемых для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на высоковольтных линиях электропередачи переменного тока и подстанциях электроэнергетических систем.
Источники информации
1. Бударгин О.М., Макаревич Л.В., Мастрюков Л.А. Управляемый насыщающийся реактор мощностью 180 МВА, напряжением 500 кВ ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД». ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. №6, 2012, стр.28, рис. 1.
2. Управляемый шунтирующий реактор на Игналинской АЭС. Ввод в эксплуатацию. А. Долгополов и др.. Новости электротехники, №6(54), 2008, рис. 7