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.
Известен источник реактивной мощности (ИРМ), состоящий из конденсаторной батареи и регулируемой индуктивности - управляемого подмагничиванием трехфазного шунтирующего реактора (УШР) [1]. В реакторе имеются две сетевые обмотки и две обмотки управления (подмагничивания), каждая из обмоток управления разделена на две секции. Подмагничивание осуществляется применением управляемого выпрямителя. Серьезными недостатками устройства являются высокий уровень искажения тока высшими гармониками, генерируемыми УШР, и возникновение опасности повреждения выпрямителя из-за перенапряжений, трансформируемых со стороны сетевых обмоток.
Наиболее близким по назначению и составу оборудования (прототипом) является источник реактивной мощности [2], 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. Наличие треугольников необходимо для ликвидации в токе ИРМ искажающих напряжение гармоник, кратных трем. 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 некоторых параметров элементов конденсаторных батарей и выпрямителя (например, их номинальных напряжений), что снижает технико-экономические характеристики и функциональные возможности ИРМ.
Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков, повышение надежности, улучшение технико-экономических характеристик и увеличение функциональных возможностей ИРМ.
Указанная цель достигается тем, что в источнике, содержащем трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из секций и подключенную к сети, трехфазный управляемый подмагничиванием реактор, управляемый выпрямитель с вводом для заземления, трехфазный фильтр высших гармоник, систему автоматического управления, причем реактор имеет шесть стержней, два каждых стержня реактора охвачены сетевой обмоткой каждой фазы сети, на каждом стержне реактора расположена разделенная на две части обмотка управления, обмотки управления соединены с выходом управляемого выпрямителя, в реактор введены компенсационные обмотки, которые охватывают упомянутые стержни реактора. Части обмотки управления каждой фазы соединены в три двухплечевых полумоста, каждое из двух плеч полумоста состоит из последовательно включенных двух частей обмотки управления на двух стержнях каждой фазы. Каждый полумост фазы состоит из последовательно включенных двух плеч и соединен с выходом выпрямителя, при этом средние точки последовательного соединения плеч полумостов соединены с вводом заземления.
На фиг.1 дана принципиальная схема трехфазного источника реактивной мощности. На фиг.2 показано расположение обмоток на стержнях магнитопровода УШР. На фиг.3 и фиг.4 показаны два варианта однофазных УШР для использования их в трехфазной группе.
1
К шинам ф.A, ф.B и ф.C трехфазной сети 7 на 110-750 кВ (фиг.1) подсоединена первая трехфазная конденсаторная батарея 2 - БСК. В каждой фазе она имеет две секции 3 и 4 с секционными выключателями 5 и 6. К сети подключен УШР 7 через выключатели 8.
КО
КО
КО
КО
КО
КО
2
К вводам а, в и с компенсационных обмоток (КО) УШР подключен для питания переменным током вход управляемого выпрямителя - ПП 9 (вводы «≈»). Выход ПП (вводы «+» и «-») подключен к обмоткам управления (ОУ). К ОУ подключен также ввод для заземления 10. К вводам КО а, в и с подсоединены также вторая трехфазная секционированная конденсаторная батарея БСК 11 и трехфазный индуктивно-емкостной LC-фильтр высших гармоник ФКУ 12.
1
2
Управление ПП 9 осуществляется системой автоматического регулирования (САУ) 13, к которой подводятся сигналы от трансформаторов тока и напряжения (на схеме не показаны). САУ осуществляет автоматическое (при необходимости и ручное) регулирование тока подмагничивания и реактивной мощности УШР, управление коммутацией секционных выключателей БСК и БСК, 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 (СО) 17, КО 18 и ОУ, разделенной на две части 19 и 20.
Расположение в магнитопроводе УШР стержней 14 в порядке A1-B1-C1-A2-В2-C2 необходимо для обеспечения оптимального распределения магнитной индукции по частям ярем, что обеспечивает минимальный расход электротехнической стали в ярмах.
A1
A2
B1
B2
C1
C2
СО 17 стержней каждой фазы соединены попарно параллельно: СО и СО, СО и СО и CO и СО (фиг.1 и фиг.2).
A1
A2
B1
B2
C1
C2
КО 18 стержней каждой фазы соединены попарно последовательно и в треугольник (фиг.1 и фиг.2), они обозначены КО, и КО, KО и КО и КО и КО.
A11
A12
A21
A22
B11
B12
B21
B22
C11
C12
C21
C22
)
Верхняя часть ОУ 19 на стержне A1 обозначена ОУ, а нижняя часть ОУ 20 на этом же стержне A1 обозначена ОУ. Соответственно верхняя и нижняя части ОУ стержня A2 обозначены как OУ и ОУ. Аналогично введены обозначения частей ОУ стержней B1 и B2 (ОУ, ОУ, ОУ и ОУ) и стержней C1 и C2 (ОУ, ОУ, ОУ и ОУ.
Каждые две части обмоток 19 и 20 соединены последовательно (с учетом начала намотки обмоток, отмеченного на фиг.1 звездочкой) и образуют шесть плеч двухплечевых полумостов (фиг.1 и фиг.2):
A11
A21
A12
A22
- полумост ОУ фазы A - два плеча ОУ-ОУ и ОУ-ОУ,
B11
B21
B12
B22
- полумост ОУ фазы B - два плеча ОУ-ОУ и ОУ-ОУ,
C11
C21
C12
C22
- полумост ОУ фазы C - два плеча ОУ-ОУ и ОУ-ОУ.
Все три полумоста соединены параллельно и подсоединены к вводам «+» и «-». Средние точки полумостов соединены с вводом заземления 10 (фиг.1).
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 этом случае в магнитопроводе каждого однофазного реактора имеется два стержня 14, ярма вертикальные 15 и горизонтальные 16 (фиг.3 и фиг.4). Стержни охвачены СО 17, КО 18 и ОУ, состоящей на каждом стержне из двух частей 19 и 20. Если стержни 14 и части ОУ 19 и 20 имеют круглое сечение, то оба стержня реактора охвачены двумя круглыми сетевыми обмотками 17 (фиг.3). Если стержни 14 и части ОУ 19 и 20 имеют овальное сечение, то оба стержня реактора охвачены одной круглой СО 17 (фиг.4). В трехфазной группе однофазных реакторов в сумме имеется шесть стержней, охваченных СО 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 19 и 20 (фиг.2, фиг.3 и фиг.4), так и в виде двух обмоток, расположенных концентрично, или двух обмоток, вмотанных друг в друга.
1
2
В схеме ИРМ на фиг.1 трехфазные БСК, БСК и ФКУ имеют соединение фаз в звезду с заземленной нейтралью. В зависимости от параметров оборудования возможны соединения их фаз в треугольник.
A
B
C
A
B
C
КО
КО
КО
A
B
с
A11
A12
A21
A22
B11
B21
B12
B22
C11
C21
C12
C22
Обычно в ИРМ происходит регулирование мощности УШР одновременно в трех фазах. В тех случаях когда требуется раздельное пофазное регулирование, в схему ИРМ дополнительно вводятся второй и третий управляемые выпрямители (в этом случае будет не один ПП (как на фиг.1), а три (ПП, ПП и ПП). При этом каждый из управляемых выпрямителей ПП, ПП и ПП питается переменным током от одних и тех же вводов КО УШР а, в и с. Выходы каждого ПП, ПП и ПП будут соединены соответственно с вводами «+» и «-» каждого полумоста ОУ-ОУ-ОУ-ОУ, ОУ-ОУ-ОУ-ОУ и ОУ-ОУ-ОУ-ОУ (вместо параллельного соединения полумостов на фиг.1). Средние точки всех трех полумостов соединяются с вводом заземления 10.
Источник реактивной мощности работает следующим образом.
1
2
При полной нагрузке сети (в дневное время суток) из-за возрастания потребления активной и реактивной мощности и возрастающих потерь мощности в сети и трансформаторах возникает недостаток реактивной мощности и снижение напряжения. САУ 13, получив соответствующую информацию о величине напряжения в сети, вырабатывает и передает сигналы на включение выключателями секций БСК 2 и БСК 11 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 конденсаторных батарей.
1
2
При снижении потребления электроэнергии (например, в ночное время суток) и при полном отсутствии потребления (в аварийных ситуациях) в сети появляется 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 11 и включенном на полную мощность УШР 7. В этом режиме ПП 9, питаемый от обмоток управления УШР 7, загружен на полную мощность. УШР фактически переходит в режим работы, при котором цепи постоянного тока (для подмагничивания ОУ) и цепи переменного тока (для питания ПП) электрически работают независимо. В этом режиме, как и во всех режимах нагрузки, реактор фактически работает как реактор-трансформатор.
1
2
В промежуточных режимах при изменениях мощности нагрузки возникают колебания напряжения сети, и САУ 13 автоматически поддерживает напряжение сети в заранее установленных пределах, давая команды на изменение тока подмагничивания УШР 7 и на включение или отключение секций БСК 2 и БСК 11.
При работе УШР в некоторых режимах в его токе могут возникнуть нелинейные искажения высшими гармониками. Радикальное снижение всех высших четных гармоник тока достигается параллельным включением двух СО в каждой фазе, а устранение высших гармоник, кратных трем, достигается включением в треугольник КО. Включенный LC-фильтр ФКУ 12 обеспечивает необходимое снижение уровня высших гармоник (в основном 5-й и 7-й гармоник). Все указанные меры позволяют обеспечить снижение нелинейных искажений в токе УШР и в напряжении на его сетевых вводах для выполнения нормированного уровня качества электрической энергии у потребителей.
Отличием предлагаемого ИРМ от известных устройств является то, что схема позволяет осуществить симметричное заземление цепи обмоток управления УШР 7, 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 и при любой несимметрии магнитных состояний стержней, что опасно для тиристоров ПП, которые могут быть повреждены. Симметричность схемы заземления цепи подмагничивания УШР отличает предлагаемое устройство и от прототипа, и от всех аналогов.
Установка новых связей между элементами устройства повышает надежность ИРМ - это один из основных положительных факторов. За счет применения новой симметричной схемы заземления цепи подмагничивания отсутствуют опасные перенапряжения. 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. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1810915 A1 (H01F 29) по заявке №4839627/97, приоритет изобретения 14.06.1990. Опубликовано: 23.04.1993. Бюл.№15.
2. Патент на изобретение РФ №2335026 по заявке №2007128878, приоритет изобретения 27.07.2007. Опубликовано: 27.09.2008.