Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор
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 системы подмагничивания с системой управления, регулирования, защиты и автоматики, промежуточный трансформатор питания преобразователя, коммутационное и защитное оборудование, причем заявляемое техническое решение относится к УШР, электромагнитная часть которых имеет сетевые обмотки, используемые одновременно и как обмотки подмагничивания. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия при включении УШР при питании системы подмагничивания только от компенсационной обмотки реактора и повышение надежности работы за счет снижения электрических воздействий на вентили преобразователя системы подмагничивания, который 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, нейтральные реакторы, включенные между нейтральными выводами реактора и землей, дополнительно между выводами компенсационной обмотки реактора и землей включены последовательно соединенные выключатель и форсирующий реактор, причем система управления, регулирования, защиты и автоматики соединена с цепями управления выключателя и выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции.
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 системы подмагничивания с системой управления, регулирования, защиты и автоматики, промежуточный трансформатор питания преобразователя, коммутационное и защитное оборудование, причем заявляемое техническое решение относится к УШР, электромагнитная часть которых имеет сетевые обмотки, используемые одновременно и как обмотки подмагничивания.
Известны устройства шунтирующих реакторов, сетевые обмотки которых используются одновременно и как обмотки подмагничивания (Чванов В.А. Управляемый шунтирующий реактор - объект управления. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 
2, 2008, стр. 38, рис. 1. [1]). Каждая фаза управляемого реактора данного типа состоит из двух полуфаз, обмотки которых расположены на двух разных стержнях магнитопровода. Высоковольтные выводы обмоток полуфаз соединены и через высоковольтный ввод подключаются к фазам сети с помощью высоковольтных выключателей. Нейтральные выводы обмоток полуфаз имеют отдельные выводы из бака реактора. Нейтральные выводы сетевых обмоток трех фаз реакторов соединяются по три, образуя схему соединения сетевых обмоток «двойная звезда с расщепленной нейтралью», и заземлены через нейтральный реактор.
Между нейтральными выводами трехфазного управляемого реактора включается управляемый тиристорный преобразователь (выпрямитель-инвертор) системы подмагничивания.
Питание преобразователя может осуществляться от треугольника компенсационной обмотки УШР через преобразовательный трансформатор, согласующий параметры преобразователя и компенсационной обмотки УШР по уровням напряжения, либо от сети собственных нужд подстанции.
Вариант питания преобразователя от системы собственных нужд или внешней электрической сети требует решения проблемы обеспечения качества напряжения в сети, питающей преобразователь, и, в целом ряде случаев, увеличения мощности системы собственных нужд. Вариант питания преобразователя от треугольника компенсационной обмотки предпочтителен, так как не требует решения этих проблем. В этом варианте схема тиристорного преобразователя может быть самой простой - 6-пульсной, что упрощает и минимизирует стоимость системы подмагничивания. Однако при этом варианте питания преобразователя затруднена форсировка мощности реактора в момент включения, что особенно важно для использования УШР в качестве линейного реактора в режимах включения ЛЭП на холостой ход, когда реакторы являются одним из основных средств ограничения перенапряжений на конце включаемой ЛЭП, т.к. до момента включения ЛЭП отсутствует подмагничивание стержней магнитопровода реактора, что соответствует минимальной мощности УШР и минимальному влиянию на ограничение перенапряжений в момент включения ЛЭП.
Известны управляемые подмагничиванием УШР, в которых питание преобразователя осуществляется как от треугольника компенсационной обмотки УШР через преобразовательный трансформатор, согласующий параметры преобразователя и компенсационной обмотки УШР по уровням напряжения, так и от сети собственных нужд подстанции (Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сборник статей. Под ред. доктора техн. наук проф. А.М.Брянцева. М: «Знак». 2004, 264 с. [2]).
В этих УШР, для повышения быстродействия набора мощности в момент включения, в состав системы подмагничивания УШР вводится дополнительный преобразователь меньшей мощности, питающийся от системы собственных нужд подстанции, который обеспечивает предварительное подмагничивание стержней магнитопровода реактора (до подачи напряжения на ЛЭП), благодаря чему УШР практически сразу включается с мощностью, близкой к номинальной. Однако данные технические решения относятся к УШР, имеющим отдельные обмотки подмагничивания (управления).
В УШР, сетевые обмотки которых используются одновременно и как обмотки подмагничивания, оборудование системы подмагничивания должно иметь класс изоляции нейтралей сетевых обмоток реактора. Например, для УШР напряжением 500 кВ класс изоляции нейтралей, к которым подключается преобразователь системы подмагничивания, составляет 35 кВ. В этих условиях параллельная работа высоковольтных преобразователей, один из которых питается от системы собственных нужд подстанции, а другой от компенсационной обмотки через преобразовательные трансформаторы разных классов напряжения, с учетом необходимости установки соответствующих защитных коммутационных аппаратов приводит к существенному усложнению и удорожанию системы подмагничивания, а также к значительным увеличениям в ней потерь активной мощности. Кроме того, учитывая, что преобразователь, который обеспечивает предварительное подмагничивание при включении реактора в сеть работает крайне редко, применение данного технического решения малоприемлемо как с технической, так и экономической точек зрения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является УШР, сетевые обмотки которого используются одновременно и как обмотки подмагничивания, а система подмагничивания может питаться как от компенсационной обмотки реактора, так и от внешней сети за счет наличия в схеме питания специальных высоковольтных коммутационных аппаратов (выключателей) (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. [3]), принятый за прототип.
В данном УШР при работе системы подмагничивания от внешней сети обеспечивается возможность предварительного подмагничивания стержней магнитопровода реактора (до подачи напряжения на ЛЭП), благодаря чему УШР практически сразу включается с мощностью, близкой к номинальной. Однако, так как заданные требования по быстродействию поддержания напряжения при изменениях режима работающей ЛЭП обеспечиваются только при питании системы подмагничивания от компенсационной обмотки, после включения ЛЭП и выхода на установившийся режим работы система подмагничивания УШР должна быть переведена с питания от внешней сети на питание от компенсационной обмотки. Такой переход сопровождается сбросом мощности реактора на время, необходимое для технологических операций по отключению и включению высоковольтных коммутационных аппаратов, обеспечивающих требуемый тип питания системы подмагничивания.
Целью изобретения является повышение быстродействия при включении с исключением указанных недостатков.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия при включении УШР при питании системы подмагничивания только от компенсационной обмотки реактора и повышение надежности работы за счет снижения электрических воздействий на вентили преобразователя системы подмагничивания.
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, нейтральные реакторы, включенные между нейтральными выводами реактора и землей, дополнительно между выводами компенсационной обмотки реактора и землей включены последовательно соединенные выключатель и форсирующий реактор, причем система управления, регулирования, защиты и автоматики соединена с цепями управления выключателя и выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено. Схема предлагаемого УШР показана на фиг. 1.
Каждая фаза 1 трехфазного управляемого шунтирующего реактора, показанного на фиг. 1, содержит общую магнитную систему с двумя стержнями и расположенными на них расщепленной сетевой обмотки 2, 3 и секциями компенсационной 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. К нейтральным выводам реактора подключается нейтральный реактор 6 и выход постоянного тока преобразователя источника подмагничивания 7 с системой управления, регулирования, защиты и автоматики УШР 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 форсирующий реактор 10 через трехфазный выключатель 11, цепи управления которого соединены с системой управления, регулирования, защиты и автоматики УШР 8, соединенной с выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции 12..
Управляемый подмагничиванием УШР, показанный на фиг. 1, работает следующим образом. При отключенном выключателе УШР со стороны сетевой обмотки или при отсутствия напряжения на ЛЭП, отсутствует также напряжение на компенсационной обмотке реактора, а, следовательно, и подмагничивание реактора. В нормальном режиме, при включенном выключателе УШР со стороны сетевой обмотки и при наличии напряжения на ЛЭП, есть напряжение на компенсационной обмотке реактора и преобразователь системы подмагничивания путем изменения тока подмагничивания изменяет мощность реактора, поддерживая напряжение на шинах с быстродействием, определяемым параметрами системы подмагничивания и характеристиками электромагнитной части реактора. Для реакторов с номинальным напряжением 220-500 кВ величина быстродействия, характеризуемая временем набора и сброса мощности от минимального до номинального значения, а также от номинального до минимального значения, как правило, задается заказчиком и составляет около 0,3 сек.
Подключение управляемого шунтирующего реактора к уже работающей ЛЭП, для исключения влияния сильных электромагнитных возмущений на режим работы ЛЭП, происходит с минимальной мощностью (режим холостого хода реактора) с дальнейшим увеличением мощности в соответствии с требованиями диспетчера, который задает соответствующие уставки в системе регулирования УШР по напряжению, мощности или току.
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 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 происходят под управлением диспетчерского персонала, автоматики ЛЭП и подстанций, позволяя скоординировать действие этой автоматики с системой управления и автоматики УШР. Подключение форсирующего реактора к компенсационной обмотке, при подаче высокого напряжения на сетевые обмотки шунтирующего реактора (при возбуждении реактора), приводит к резкому снижению сопротивления реактора из-за размагничивающего действия компенсационной обмотки, нагруженной на сопротивление форсирующего реактора, а соответственно и увеличению потребляемой реактором мощности. Перед включением ЛЭП на холостой ход и при возникновении короткого замыкания, в паузе АПВ, система управления УШР, получив сигнал от системы релейной защиты и автоматики подстанции, подает команду на включение выключателя форсирующего реактора, поэтому при появлении напряжения на вводах реактор безинерционно переходит в режим потребления максимальной реактивной мощности, обусловленной реактансом рассеивания между сетевой и компенсационной обмотками, а также реактансом форсирующего реактора, обеспечивая максимальное ограничение перенапряжений, возникающих в данном режиме. Величина реактанса форсирующего реактора выбирается с учетом надежной отстройки от действия максимальной токовой защиты компенсационной обмотки от короткого замыкания на ее выводах. Дополнительным эффектом от включения форсирующего реактора и благоприятным для преобразователя системы подмагничивания является то, что наличие нагрузки на компенсационной обмотке УШР в момент включения снижает перенапряжения на вентилях преобразователя, что повышает надежность его работы. После появления напряжения на вентилях преобразователя его система управления и регулирования форсирует выпрямленное напряжение преобразователя, что приводит к увеличению тока подмагничивания. После достижения заданного значения тока подмагничивания, система управления формирует сигнал на отключение выключателя форсирующего реактора и форсирующий реактор отключается. Дальнейший режим работы шунтирующего реактора будет определяться выбранным алгоритмом системы регулирования УШР. Учитывая, что максимальные амплитуды перенапряжения при включении ЛЭП наблюдаются в первые 1-2 полупериода частоты сети, а преобразователь системы подмагничивания обеспечивает набор мощности реактора за время около 0,3 сек, длительность включения под напряжение форсирующего реактора составляет не более 0,2-0,3 сек. В результате, установленная мощность форсирующего реактора значительно меньше его кратковременной максимальной мощности, а габариты невелики, т.к. уровень изоляции форсирующего реактора, соответствующий уровню изоляции нейтрали шунтирующего реактора, значительно ниже уровня изоляции сетевой обмотки 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. Чванов В.А. Управляемый шунтирующий реактор - объект управления. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2, 2008, стр. 38, рис. 1.
2. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сборник статей. Под ред. Доктора техн. наук проф. А.М. Брянцева. М. «Знак». 2004, 264 с.
3. 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.
Устройство управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора, содержащего расщепленные сетевые обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопровода и соединенные с нейтральными выводами реактора, источник постоянного тока подмагничивания, полюса постоянного тока которого подключены к нейтральным выводам реактора, а вход переменного тока - к выводам компенсационной обмотки реактора через промежуточный трансформатор, систему управления, регулирования, защиты и автоматики, нейтральные реакторы, включенные между нейтральными выводами реактора и землей, отличающееся тем, что между выводами компенсационной обмотки реактора и землей включены последовательно соединенные выключатель и форсирующий реактор, причем система управления, регулирования, защиты и автоматики соединена с цепями управления выключателя и выходными цепями системы релейной защиты и автоматики подстанции.
