СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА
METHOD TO INCREASE EFFICIENCY OF SHUNTING REACTOR CONTROLLED BY MAGNETISATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам регулирования реактивной мощности, и может быть использовано в управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторах 35-220 кВ для обеспечения улучшения характеристик регулирования сетевого тока и мощности. Технический результат - повышение быстродействия управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора (время набора и сброса мощности).
Известен реактор «Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор» (1), содержащий собственно реактор, который состоит из трех замкнутых однофазных стержневых магнитопроводов, каждый из которых имеет два стержня, а также двухсекционной сетевой обмотки (СО) и двухсекционной обмотки управления (ОУ), при этом секции СО, размещенные на каждом стержне, соединены параллельно и присоединены к трехфазной сети, а три секции ОУ, расположенные на одних стержнях трех магнитопроводов, соединены последовательно в открытый треугольник, в то время как другие три секции ОУ других стержней магнитопроводов соединены последовательно во второй открытый треугольник, при этом два открытых треугольника соединены параллельно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока подмагничивания. В качестве регулируемого источника постоянного тока подмагничивания используется полупроводниковый преобразовательный блок. Кроме того, имеется система автоматического управления, которая по заданному закону управления изменяет угол открытия тиристоров, тем самым меняя выпрямленный ток подмагничивания, а соответственно, ток и потребляемую мощность реактора.
Известно также устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР (2).
В устройстве (1), которое является наиболее близким аналогом, проведена оптимизация технико-экономических показателей по сравнению с устройством, описанным в аналоге (2), снижено число секций обмоток, которые вызывали увеличенные затраты в производстве и дополнительный расход материалов, однако в нем не предусмотрено улучшение характеристик регулирования реактивной мощности за счет увеличения быстродействия.
При этом в ряде случаев параметры регулирования, которыми обладает устройство (1), являются оптимальными для надежной работы энергосистемы, а также являются экономически целесообразными, однако нередко существует необходимость в увеличенном быстродействии реактора, например, для применения в «слабой» сети с существенной долей двигателей нагрузки, в сетях с наличием потребителей, которые чувствительны к существенному изменению напряжения, а также к скорости его изменения.
Низкое быстродействие является недостатком известного устройства (1) и может приводить к возникновению перенапряжений в сети переменного тока, к которой подключен реактор, излишнему отключению потребителей, чувствительных к уровням напряжения, «лавине напряжения», что является неприемлемым обстоятельством.
Низкое быстродействие связано с конструктивной особенностью реактора, преобразовательных блоков, наличием прямых электромагнитных связей между обмотками, что приводит к появлению уравнительных выпрямленных токов в СО в переходных режимах, которые препятствуют быстрому изменению тока в СО управляемого шунтируемого реактора (УШР), а соответственно, изменению мощности реактора.
В устройстве (1) предлагается подключение системы подмагничивания к распределительному устройству (РУ) 6-35 кВ подстанции, что приводит к снижению его функциональных возможностей. Кроме того, мощность применяемой системы подмагничивания является недостаточной для обеспечения более быстрого изменения состояния магнитной системы УШР.
В соответствии с реальной осциллограммой набор мощности 5%-100% Iном управляемого реактора 25 MB·Ар 110 кВ (1) осуществляется за время, равное 3,2 сек, при напряжении сети 110 кВ. Ток, протекающий через преобразовательный блок, выходит на номинальный режим за 0,35 сек и более не нарастает, что означает ограничение по току преобразователя, рассчитанное на ток 110% Iном. Из сказанного можно сделать вывод о том, что переходный процесс и характер нарастания тока в обмотке управления (ОУ) и сетевой обмотке (СО) не соответствуют друг другу, что объясняется затягивающимися процессами долгого затухания постоянной составляющей в СО.
В соответствии с осциллограммой переходного режима (приведены следующие параметры: ток одной фазы сетевой обмотки, индукция в стержне реактора, токи двух полунейтралей сетевой обмотки, напряжение сети 110 кВ) при изменении мощности УШР 5%-100% согласно математической модели с применением в полунейтралях сетевой обмотки резистивных сопротивлений 10 Ом, выходное напряжение преобразовательного блока увеличивается в четыре раза по сравнению с аналогом (1). Предложенные меры позволяют снизить время набора мощности УШР 5%-100% Iном с 3,2 сек до 0,35-0,3 сек, что является существенным увеличением динамических характеристик оборудования.
Применение указанных мер - установка резистивного сопротивления в полунейтрали СО и увеличение мощности трансформаторно-преобразовательного блока, позволяет не только существенно уменьшить время набора мощности 5%-100%, но и значительно уменьшить время сброса мощности 100%-5%. При этом помимо перечисленных усовершенствований необходимо предусмотреть режим инвертирования.
В соответствии с реальной осциллограммой сброса мощности 100%-28% аналога (1) (приведены следующие параметры: напряжение сети 110 кВ, токи сетевой обмотки реактора, ток через преобразовательный блок реактора) снижение тока реактора происходит за 3,75 сек. В аналоге (1) не предусмотрена работа преобразовательного блока в инверторном режиме, что значительно ухудшает технические характеристики УШР.
Имеется также реальная осциллограмма переходного режима при изменении мощности УШР 100%-5% Iном согласно математической модели с применением в полунейтралях сетевой обмотки резистивных сопротивлений 10 Ом, увеличенным в четыре раза по сравнению с аналогом (1) выходным напряжением преобразовательного блока, при этом для ускоренного сброса мощности УШР преобразовательный блок работает в режиме инвертирования. Приведены следующие параметры: ток одной фазы сетевой обмотки, индукция в стержне реактора, токи двух полунейтралей сетевой обмотки, напряжение сети 100 кВ.
Из осциллограммы следует, что предложенные меры позволяют снизить время сброса мощности УШР 100%-5% Iном до 0,3 сек, что также является существенным улучшением динамических характеристик оборудования.
Так, за счет применения трансформаторно-преобразовательного блока с увеличенным выходным напряжением преобразователя в четыре раза, по сравнению с аналогом (1), применения резистивных сопротивлений 10 Ом и наличия режима инвертирования обеспечивается снижение мощности 100%-5% Iном за 0,3 сек.
Как следует из сказанного, управляемые реакторы с улучшенными динамическими характеристиками имеют ряд преимуществ по сравнению с имеющимся аналогом (1), а именно: препятствуют возникновению перенапряжения в сети переменного тока, излишнему отключению потребителей, чувствительных к уровням напряжения и скорости его изменения, снижают многократные воздействия на изоляцию оборудования, предотвращают «лавину напряжения».
Целью изобретения является увеличение скорости реакции управляемого реактора на изменение режима работы сети за счет более быстрого затухания уравнительных выпрямленных токов в сетевой обмотке в переходных режимах и минимального изменения технических решений в преобразовательном блоке.
Ускоренное затухание уравнительных выпрямленных токов в сетевой обмотке в переходных режимах достигается путем добавления резистивного сопротивления в полунейтрали сетевой обмотки. Кроме того, для повышения быстродействия используются трансформаторно-преобразовательные блоки, которые подключаются как к обмотке управления реактора, так и к РУ 6-35 кВ.
В предлагаемом устройстве функции регулирования и функции динамического изменения мощности УШР выполняют разные устройства, для чего добавлена более мощная система подмагничивания, подключенная к РУ 6-35 кВ подстанции (ПС), при этом она несет в себе функции как преобразователя, так и инвертора. Функции инвертора необходимы для быстрого сброса реактивного тока реактора. В патенте-аналоге (1) данные функции не предусмотрены, что в отдельных случаях может неблагоприятно влиять на устойчивость системы.
При этом существенное увеличение быстродействия реактора достигается только благодаря сочетанию устанавливаемых в полунейтралях сетевой обмотки резистивных сопротивлений и преобразователя-инвертора, подключенного к РУ 6-35 кВ подстанции.
Применение только резистивных сопротивлений в полунейтралях сетевой обмотки позволяет увеличить быстродействие в 2-2,5 раза при наборе и сбросе мощности.
Применение только дополнительного преобразовательного блока с функцией инвертирования и с увеличенным выходным напряжением управления, подключаемого к РУ 6-35 кВ подстанции, позволяет повысить быстродействие порядка в 8-10 раз по сравнению с имеющимся аналогом (1), однако приводит к существенной зависимости скоростных характеристик реактора от мощности, характеристик и надежности РУ 6-35 кВ ПС.
Стоит отметить, что при этом выходное напряжение управления также необходимо увеличить в 7-10 раз, что при неизменном требуемом номинальном токе обмотки управления УШР приводит к увеличению мощности преобразовательного блока, а соответственно, и потребляемой мощности от РУ 6-35 кВ.
Наиболее оптимальной является система подмагничивания УШР с увеличенным в 4-5 раз выходным напряжением управления и дополнительным сопротивлением полунейтрали 10 Ом, которых достаточно для затухания уравнительных токов в СО, вызванных изменением напряжения сети и тока в обмотке управления ОУ. При указанном сочетании параметров сопротивлений полунейтралей и выходного напряжения управления скоростные характеристики управляемого ректора улучшаются, примерно, в 20 раз, что является существенным преимуществом перед существующим аналогом (1).
Дальнейшее увеличение сопротивления полунейтралей сетевой обмотки (более 10 Ом), практически, не дает эффекта и считается нецелесообразным.
Предложенный способ увеличения быстродействия УШР применяется для реакторов, состоящих из трех замкнутых однофазных стержневых магнитопроводов, каждый из которых имеет два стержня, а также двухсекционной СО и двухсекционной ОУ, при этом секции СО, размещенные на каждом стержне, соединены параллельно и присоединены к трехфазной сети, а три секции ОУ, расположенные на одних стержнях трех магнитопроводов, соединены последовательно в открытый треугольник, в то время как другие три секции ОУ других стержней магнитопроводов соединены последовательно во второй открытый треугольник, при этом два открытых треугольника соединены параллельно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока подмагничивания.
Для осуществления способа в качестве усовершенствования используются резистивные сопротивления в полунейтралях сетевой обмотки, преобразователь-инвертор, подключенный к РУ 6-35 кВ сети подстанции через трансформатор с увеличенным выходным напряжением по стороне постоянного напряжения, а функции регулирования распределены между преобразовательными блоками, подключенными непосредственно к УШР и к РУ 6-35 кВ подстанции, что улучшает динамические характеристики УШР, примерно, в 20 раз.
Поскольку магнитопровод управляемого реактора может быть выполнен в трехфазном исполнении, то предложенный способ может распространяться и на него.
Использование заявленного изобретения для компенсации реактивной мощности осуществляется в соответствии со следующей принципиальной схемой:
к шинам трехфазной сети 35-220 кВ через выключатель подключается управляемый реактор (или устройства с использованием управляемого реактора), состоящий из двух обмоток - сетевой обмотки и обмотки управления, а также трансформаторно-преобразовательных блоков, часть из которых подключается к обмотке управления реактора, а другая часть - к распределительному устройству с напряжением 6-35 кВ, при этом трансформаторно-преобразовательный блок, подключаемый к РУ 6-35 кВ, имеет увеличенное выходное напряжение преобразователя, а также способен работать в режиме инвертирования.
На прилагаемом рисунке изображена «Схема соединений оборудования, управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора» 35-220 кВ сети подстанции, где
1-3 - выключатель,
4-6 - трансформаторы напряжения,
7-9 - трансформаторы тока,
10 - сетевая обмотка,
11 - резистивные сопротивления
12 - обмотка управления,
13 - трансформатор,
14 - преобразовательный блок,
15 - трансформатор,
16 - преобразовательный блок,
17 - система автоматического управления.
Ниже приводится пример осуществления заявленного изобретения со ссылкой на приложенный рисунок, который иллюстрирует принципиальную схему средства компенсации реактивной мощности с применением заявленного изобретения.
К шинам трехфазной сети 35-220 кВ через выключатель 1-3 подключаются управляемый реактор или устройства с использованием УШР. Управляемый реактор состоит из двух обмоток - сетевой обмотки 10 и обмотки управления 12, к которой подключаются преобразовательные блоки 14, имеющие переменное питание через трансформаторы 13.
К РУ 6, 10 или 35 кВ сети подстанции через трансформатор 15 подключен преобразовательный блок 16 с увеличенным по сравнению с преобразователем 14 выходным напряжением в 4-5 раз.
Система автоматического управления 17 в зависимости от информации, полученной от трансформаторов напряжения 4-6 и трансформаторов тока 7-9, воздействует на тиристоры преобразовательного блока 14 или 16, при этом в зависимости от требуемых параметров регулирования, в работе участвуют либо преобразователи 14, либо преобразователь 16, подключенный к РУ 6, 10 или 35 кВ сети подстанции и имеющий большую мощность и большее выходное выпрямленное напряжение.
Распределение работы между полупроводниковыми преобразователями 14 и 16 зависит от параметров регулирования, т.е. от заданной разности реального напряжения сети и напряжения установки, которую при необходимости можно изменять. При существенном изменении напряжения в сети, т.е. когда изменение напряжения в сети больше, чем заданный статизм регулирования, в работу вступает преобразователь 16. Когда изменение напряжения меньше, чем заданный статизм регулирования, работу ведут преобразователи 14. И в том, и в другом случаях установленные в полунейтрали сетевой обмотки 10 резистывные сопротивления 11 позволяют с большим быстродействием реагировать на изменения в сети. Преобразователи 14 обеспечивают взаимное «горячее» резервирование.
Указанные активные сопротивления могут устанавливаться как в бак управляемого реактора, так и снаружи, при этом варианты установки зависят от исполнения электромагнитной части реактора - трехфазное исполнение или группа однофазных реакторов. При трехфазном исполнении наиболее предпочтительным является вариант установки внутри бака, при группе однофазных - снаружи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брянцев A.M. и др. «Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор». Патент РФ № RU (11) 2132581, заявка №98100385/09, 06.01.1998. Опубликовано: 27.06.1999.
2. Авторское свидетельство СССР № 1803934, Н01F 29/14, Бюллетень изобретений №11, 1993 г.