Evgeny I. Zabudsky

ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Е. Забудский

История вопроса, анализ проблемы

Во втором десятилетии ХХ века наметились контуры одной из проблем техники электро передачи высокого напряжения, состоявшей в том, что при больших расстояниях начинала существенно сказываться емкостная проводимость линии и значительно возрастал емкостной ток, который уменьшал пропускную способность линии. Это явление сопровождалось недопустимым повышением напряжения. М.О.Доливо-Добровольский оценил важность наметившейся проблемы и в ноябре 1918 года выступил с докладом на эту тему.

В начале 40-х годов Р.Рюденберг (Германия) предложил для решения этой проблемы ис пользовать сильное магнитное насыщение электротехнической стали, указав на необходи мость устранения высших гармонических. Идеи Р.Рюденберга получили развитие в работах Е.Фридлендера (GEC, Англия). Фирма GEC изготовила и установила в различных странах более 50 ферромагнитных реакторов, магнитная система которых выполнена по типу магнитопроводов силовых трансформаторов, на мощности от нескольких десятков до сотен Мвар. Рабочий диапазон значений магнитной индукции этих реакторов находится за "коленом" кривой намагничивания стали магнитопровода. Эти устройства автоматически обеспечивают правильное реагирование на требования электропередачи, в т.ч. обеспечивают поглощение (компенсацию) емкостной реактивной мощности и предотвращают повышение напряжения в ЛЭП с линейным напряжением выше 200 кВ.

В СССР с целью решения указанной проблемы в 1954-56 годах было испытано в большом масштабе регулирование реактивного потребления силовых трансформаторов путем подмагничивания их постоянным током, которое предложил И.С.Брук. Дальнюю электропередачу с подмагничиваемыми реакторами-трансформаторами и форсируемыми конденсаторными батареями проанализировал Д.И.Азарьев.

В 1954-57 гг. М.С.Либкинд разработал насыщающийся и управляемый реакторы с магни топроводом выполненным по типу электрической машины переменного тока, но с неподвижным "ротором". Реакторы с вращающимся полем исследовались и совершенствовались в течение примерно двух десятилетий в Энергетических институтах (ЭНИН, Москва; АЭИ, Алма-Ата), в политехнических институтах (Санкт-Петербург, Таллинн, Кишинев) и в ряде других организаций. Эти устройства исследовались и в институте электроники и электротехники Падуанского университета (Италия).

С конца 70-х годов в перечисленных и ряде других организаций (ЦКБ Союзэнергоремонт Минэнерго СССР, трансформаторный электроремонтный завод Ленэнерго, Московское ПО "Электрозавод" им. В.В.Куйбышева, ПО "Запорожтрансформатор") разрабатывались реакторы с пульсирующим полем на базе магнитопроводов трансформаторного типа.

Итоги работы в этом направлении были обсуждены на симпозиуме "Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах", который рассмотрел все обостряющуюся проблему создания управляемых потребителей избыточной реактивной мощности в электро-энергетических системах (Санкт-Петербург, научный центр РАН и гостехуниверситет, 1989).

В решении симпозиума отмечено, что "...Целесообразность применения управляемых реакторов в энергосистемах определяется:

1)необходимостью регулируемого потребления избыточной реактивной мощности линий электропередачи (воздушных и кабельных), при передаче мощности меньше натуральной мощности линий. В этом случае номинальное напряжение реактора определяется номинальным напряжением электропередачи, а номинальная мощность - зарядной мощностью длины коммутируемого участка линии;

2)необходимостью регулирования источников реактивной мощности в распределительных сетях 6..10 кВ и выше у потребителей электроэнергии с преимущественно индуктивной нагрузкой. В этом случае целесообразна установка управляемых реакторов параллельно батареям конденсаторов, мощность которых определяется максимальным потреблением реактивной мощности потребителями.

Применение управляемых реакторов позволит:

1)сократить использование дорогостоящего и сложного в эксплуатации оборудования (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы);

2)уменьшить применение генераторов на электростанциях в качестве регулируемых источников реактивной мощности и потери в линиях электропередачи;

3)ограничить использование сложной системы коммутации шунтирующих реакторов (нерегулируемых) на линиях;

4)как следствие - повысить технико-экономические показатели электроэнергетических систем и передач переменного тока" [1].

Использование накопленного опыта было активизировано трудами чл.-корр. РАН Александрова Г.Н. по созданию электропередач с неограниченно увеличенной натуральной мощностью воздушных линий, а значит - и их пропускной способностью, что достигается за счет увеличения числа проводов в фазе при отказе от ограничения расстояний между ними. Для обеспечения нормальных и аварийных режимов работы энергосистем в этом случае обязательно использование управляемых реакторов. При больших длинах линий они должны быть распределены на расстояния не больше 600 км один от другого.

В России потребность в реакторах повышена, т.к. несмотря на продолжающееся снижение электропотребления, связанное со спадом производства, отставание электросетевого строительства приводит к сохранению в ряде районов дефицита мощности и принуждает прибегать к практике принудительных ограничений и отключений потребителей электроэнергии. Режимы работы межсистемных высоковольтных линий ведутся на пределе статической устойчивости и характеризуются недостаточной пропускной способностью. Недостаточна пропускная способность электрических сетей, в основном 500 кВ, в сечениях Центр- Восток, Центр-Средняя Волга, Ценр-Урал, Южное сечение Урала, Урал-Казахстан. Степень компенсации зарядной мощности составляет не более 50-60% от нормативного, что в условиях снижения нагрузки сети привело к значительным затруднениям с поддержанием допустимых уровней повышения напряжения.

Вместе с тем, установка реакторов приводит к увеличению количества оборудования в энергосистеме, что имеет отрицательные последствия. С целью их устранения, а, следовательно, для повышения надежности, снижения материалоемкости, уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат, упрощения обслуживания электроэнергетических систем и др. автором статьи сформулированы принципы построения потребителей реактивной мощности обладающих заданными улучшенными показателями и разработан класс совмещенных управляемых реакторов и реакторов-трансформаторов являющихся системными устройствами многоцелевого назначения. Они выполняют одновременно функции отдельных реактора и силового трансформатора, реактора и батареи конденсаторов, реактора и источника постоянного тока и др. и предназначены для улучшения режимов работы ЛЭП, распределительных электросетей 6..10 кВ и выше и систем электроснабжения промышленных предприятий.

Из сопоставления отдельных устройств с совмещенным, следует, что надежность и массогабаритные показатели лучше у последнего, что иллюстрируется следующими данными: надежность совмещенной обмотки почти в 2раза выше надежности двух раздельных обмоток; сечение ее на 13..15% меньше, чем сумма сечений отдельных обмоток; масса совмещенной обмотки на 15..35% меньше суммарной массы отдельных обмоток; объем изоляции совмещенной обмотки также меньше и др. Таким образом, предпочтение следует отдать совмещенному устройству [2].

Существенным является тот факт, что работа совмещенного управляемого реактора- трансформатора полностью согласуется с особенностями работы электроэнергетической системы, основываясь на том обстоятельстве, что при максимальной нагрузке ее, а следовательно и трансформатора, мощность реактора должна быть минимальной, а при минимальной нагрузке трансформатора мощность реактора должна быть максимальной.

Решение рассматриваемой проблемы имеет важное народнохозяйственное значение, что определено, во-первых, необходимостью решения следующих задач управления режимами систем: компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП и повышение их пропускной способности, ограничение коммутационных перенапряжений, ограничение токов короткого замыкания, уменьшение колебаний напряжения, рациональное распределение напряжения и тока и др.; во-вторых, большими масштабами внедрения устройств, обусловленными значительной протяженностью электроэнергетических систем.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ.
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

К управляемым электромагнитным устройствам относятся насыщающиеся и управляемые реакторы, которые являются средством автоматического регулирования реактивной мощности.

Реактор - зто статическое силовое нелинейное устройство, работа которого основана на явлении электромагнитной индукции. Активная часть реактора содержит одну или несколько обмоток и магнитопровод, выполненный из электротехнической стали. В реакторе могут быть следующие обмотки: 1) рабочая обмотка (РО). Она предназначена для включения в электрическую цепь, в которой используется индуктивность реактора; 2) обмотка управления (ОУ). Она предназначена для создания управляющего магнитного поля. В большинстве случаев это постоянное магнитное поле или поле, имеющее значительную постоянную составляющую; 3) компенсационная обмотка (КО). Это вспомогательная обмотка, предназначенная для компенсации части магнитного потока устройства, например, компенсация высшей гармоники в индукции магнитного поля; 4) фазосдвигающая обмотка (ФО). Это вспомогательная обмотка, предназначенная для обеспечения сдвига по фазе векторов МДС стержней магнитопровода.

Реактивная мощность, потребляемая реактором, плавно регулируется за счет изменения насыщения (магнитного сопротивления) его магнитопровода.

Реакторы классифицируются по различным признакам.

1. Классификация по способу регулирования индуктивного сопротивления рабочей обмотки реактора, т.е. по способу регулирования его реактивной мощности:

1,а) управляемый реактор (УР). Это реактор у которого индуктивное сопротивление обмотки регулируется за счет изменения насыщения сердечника посредством изменения постоянной составляющей магнитного потока. Реактор содержит обмотку управления;

1,б) насыщающийся реактор (НР). Это реактор, магнитопровод которого самонасыщается переменным магнитным полем при номинальном напряжении обмотки, и рассчитан на работу в этом режиме. Постоянное магнитное поле подмагничивания и соответственно обмотка управления в НР отсутствуют;

1,в) магнитно-вентильный реактор. Это реактор, у которого индуктивное сопротивление рабочей обмотки меняется за счет выпрямления с помощью тиристоров тока, протекающего по части ее витков.

2. Классификация по типу конструкции магнитопровода:

2,а) реактор трансформаторного типа. Его магнитная система является стержневой и подобна магнитопроводу силового трансформатора. Переменное магнитное поле реактора является пульсирующим, т.е. изменяющимся по периодическому закону только по временной координате.

2,б) реактор электромашинного типа. Его магнитная система является кольцевой, т.е. выполняется по типу магнитопровода электрической машины переменного тока с неявновыраженными полюсами. Отличие состоит в том, что внутренний сердечник, называемый по аналогии ротором, неподвижен и вставляется в расточку статора с минимальным технологическим зазором. Переменное магнитное поле реактора является вращающимся, т.е. изменяющимся по периодическому закону не только по временной координате, но и вдоль пространственной координаты.

3. Классификация по режимам намагничивания, характеризующимся различным проявлением гармоник насыщения переменного магнитного поля.

Гармоники насыщения обусловлены нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопровода, их амплитуды зависят от степени насыщения электротехнической стали. При отсутствии подмагничивания магнитопровода постоянным полем в переменном магнитном поле проявляются только высшие гармоники насыщения нечетного спектра, а при подмагничивании магнитопровода в магнитном поле возникают, в общем случае, еще и высшие гармоники насыщения четного спектра. При соблюдении определенных условий четные гармоники могут отсутствовать и при подмагничивании магнитопровода постоянным полем.

Реакторы работают в следующих режимах намагничивания:

3,а) режим вынужденного намагничивания (ВН). В режиме ВН высшие гармоники насыщения проявляются в индукции переменного магнитного поля, а в напряженности этих гармоник практически нет;

3,б) режим свободного намагничивания по той или иной n-ой гармонике насыщения (CHn), например, по 2-ой гармонике (СН2). В режиме свободного намагничивания по n-ой гармонике насыщения эта гармоника проявляется в напряженности переменного магнитного поля, а в индукции ее практически нет;

3,в) режим симметричного намагничивания (СН) по четным гармоникам насыщения магнитного поля. В режиме СН при подмагничивании магнитопровода постоянным полем все четные гармоники насыщения исключены как из индукции, так и из напряженности переменного магнитного поля.

3,г) режим самоподмагничивания по 2-ой гармонике (СП2) насыщения магнитного поля. В режиме СП2 мощность гармоники преобразуется посредством выпрямителя в мощность, используемую для питания одной из обмоток управления.

4. Классификация по виду совмещаемых функций:

4,а) совмещенный реактор. Это реактор с совмещением функций двух или нескольких отдельных обмоток (РО, ОУ, КО или ФО) в одной совмещенной обмотке (СО).

4,б) совмещенный управляемый реактор-трансформатор (УРТ, трансреактор). Совмещенный УРТ выполняет функции отдельных управляемого реактора и силового трансформатора. Это устройство имеет общую магнитную систему и может иметь две совмещенные обмотки;

4,в) совмещенный реактор-конденсатор (реаконд). Он выполняет функции отдельных реактора и батареи конденсаторов параллельного или последовательного включения.

4,г) магнитно-вентильный реактор. Совмещенное устройство выполняет функции отдельных управляемого реактора и источника постоянного тока (за счет включения тиристоров в одну из обмоток реактора).

В одном устройстве может быть совмещено большинство из перечисленных функций или часть их [3].

Возможны и другие классификации реакторов, в частности классификация по взаимной ориентации переменного магнитного поля и постоянного магнитного поля подмагничивания (этот признак положен в основу классификации, принятой в ГОСТ 18624-73. Реакторы электрические. Термины и определения).

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Насыщающиеся и управляемые реакторы предназначены для использования в воздушных линиях электропередачи традиционного конструктивного исполнения (ТКИ) и повышенной натуральной мощности (ПНМ), в распределительных электросетях и в системах электроснабжения промышленных предприятий.

2.1. Воздушные линии электропередачи высокого напряжения

Воздушные линии (ВЛ) электропередачи являются протяженным токопроводом, создающим электрическое и магнитное поля. Условия работы линий с точки зрения физических процессов в электромагнитном поле линии, которые определяют требования к устройствам компенсации их избыточной реактивной мощности, рассмотрены в [4].
Мощность электрического поля трехфазной линии длиной I

, (1)

где - напряжение фазы линии относительно земли;
C- погонная емкость линии, . Мощность магнитного поля трехфазной линии длиной I

, (2)

где I - ток протекающий по фазе линии;
L - погонная индуктивность линии.

Мощность электрического поля линии мало изменяется из-за ограниченных пределов изменения напряжения. Мощность магнитного поля изменяется в широких пределах в соответствии с изменением тока. Это обстоятельство определяет режимные особенности работы электропередач переменного тока и связанные с ними мероприятия по управлению работой электропередач.

Разность мощностей электрического и магнитного полей определяет реактивную мoщность линии

, (3)

которая равна нулю в частном случае соблюдения равенства , что имеет место при

или

(4)

где - волновое сопротивление линии;

- ток, протекающий по линии, называемый при натуральным (естественным) током линии.

Соответствующий режим работы линии называется натуральным, он является сбалансированным по реактивной мощности: линия не генерирует и не потребляет реактивную мощность.

Если ток в линии не совпадает с натуральным, т.е. (k - произвольное число), то формула (3) для реактивной мощности линии записывается в виде

, (5)

где - скорость распространения электромагнитной волны,
- волновая длина линии;
- натуральная мощность линии;
- отношение передаваемой по линии мощности P к натуральной мощности линии. P_н

Если передаваемая по линии мощность P меньше натуральной (P<P_н), то, исходя из физических условий работы линии, такой режим ее работы относится к естественному. Если же передаваемая по линии мощность P больше натуральной (P>P_н), то режим ее относится к искусственному.

На рис.1 представлена зависимость реактивной мощности Q линии, отнесенной к произведению , от отношения P/P_н и рассчитанная по формуле (5), но с обратным знаком. Из графика следует:

1) при P=0 (режим холостого хода линии) ВЛ электропередачи генерирует реактивную мощность;

2) при 0<P<P_н (естественный режим работы) ВЛ электропередачи также генерирует реактивную мощность, т.е. преобладающей является мощность электрического поля линии. В этом смысле линия эквивалентна батарее конденсаторов;

3) при P=0 (натуральный режим работы линии) ВЛ не генерирует и не потребляет реактивную мощность, т.к. мощности ее электрического и магнитного полей равны;

4) при P>P_н (искусственный режим работы линии) ВЛ электропередачи потребляет реактивную мощность, т.е. преобладающей является мощность магнитного поля линии. В этом смысле линия эквивалента индуктивности.

Таким образом, как следует из рис.1 и формулы (5) при на линии есть избыток реактивной мощности, максимальное значение которой имеет место при холостом ходе линии (k=0, P=0)

(6)

Так как в любой энергосистеме должна быть обеспечена возможность работы линий при загрузке от максимальной расчетной до нулевой (режим холостого хода), то в линии должны быть установлены потребители ее избыточной реактивной мощности при малых нагрузках, в качестве которых используют шунтирующие реакторы. Некоторая часть избыточной реактивной мощности может быть потреблена примыкающими энергосистемами, поскольку, как правило, они дефицитны по реактивной мощности в соответствии с преобладающим индуктивным характером нагрузки. Поэтому в общем случае необходимая мощность шунтирующих реакторов, согласно (6), составляет

(7)

Физические условия работы ВЛ переменного тока определяют необходимость учета двух важных обстоятельств :

1) во всех режимах работы линии необходимо обеспечить баланс реактивной мощности на электропередаче в целом;

2) размещение вдоль линии устройств, компенсирующих ее реактивную мощность, должно обеспечить выполнение нормативных документов на допустимые пределы изменения параметров режима передачи.

Очевидно, что целесообразно повышать пропускную способность линии электропередачи, т.е. повышать максимальную мощность, которая может быть передана без ограничения длительности режима передачи. Повышение пропускной способности в линиях традиционного конструктивного исполнения (ТКИ) и в линиях повышенной натуральной мощности (ПНМ) обеспечивается по разному.

В существующих ВЛ традиционного конструктивного исполнения повышение пропускной способности линий достигается за счет увеличения передаваемой мощности P сверх натуральной (P>P_н). Таким образом, режим работы этих ВЛ соответствует искусственному (рис.1). Традиционное конструктивное исполнение существующих высоковольтных ВЛ характеризуется, во-первых, фиксированным расстоянием (30..40 см) между расщепленными, по условиям ограничения коронного разряда, проводами фаз и, во-вторых, увеличенными междуфазными расстояниями по сравнению с минимально необходимыми по условию обеспечения надежной работы линий.

Работы, выполненные в течение последних 10...15 лет в Санкт-Петербургском гостехуниверситете и СЗО института "Энергосетьпроект" [4, 5], доказали, что при отказе от ограничений расстояний между проводами технически возможно и экономически целесообразно создание электропередач произвольно увеличенной натуральной мощности, индуктивное (и волновое) сопротивление которых обратно пропорционально числу проводов в фазе. Соответственно натуральная мощность таких линий пропорциональна числу составляющих в фазе. В [4] отмечается, что при таком изменении принципов конструирования необходимо увеличить число составляющих в фазе сверх минимального (обусловленного ограничением коронного разряда) на линиях с расщепленными проводами, а также необходимо осуществлять расщепление проводов на линиях напряжением 35..220 кВ, что приводит к многократному уменьшению их индуктивного сопротивления. Связанное с этим многократное повышение натуральной мощности воздушных линий позволяет существенно расширить области применения электропередач каждого из освоенных классов напряжения по передаваемой мощности, по-новому решать проблему обеспечения баланса реактивной мощности в электроэнергетической системе. На ВЛ повышенной натуральной мощности (ПНМ), в отличие от линий традиционного конструктивного исполнения (ТКИ), повышение пропускной способности соответственно повышению их натуральной мощности P, осуществляется при P<P_н. Таким образом, режим работы ВЛ ПНМ соответствует естественному (рис.1).

При отклонении режима работы линии от натурального баланс реактивной мощности в электроэнергетической системе, т.е. баланс электромагнитного поля линии нарушается. При этом линия не может передавать электроэнергию без дополнительных управляемых источников реактивной мощности (синхронные компенсаторы - СК, статические компенсаторы реактивной мощности - СКРМ), если k>1, либо без управляемых потребителей избыточной реактивной мощности, если k<1. Натуральная мощность ВЛ 1150кB согласно (5) при Z_в=250 Ом составляет не менее 5,5 ГВт. При длине линии свыше мощность небаланса, т.е. реактивная мощность линии Q, может быть сравнима с приведенным значением натуральной мощности. Примыкающие к подобным линиям энергосистемы не могут иметь таких резервов реактивной мощности. Следовательно, резерв необходимо создавать специально для обеспечения режимов работы электропередач. Причем, если устройства, компенсирующие реактивную мощность, располагать по концам линии, то необходимо обеспечить протекание по всей линии потоков реактивной мощности, соизмеримых с передаваемой мощностью и даже превышающей ее. Более целесообразно располагать устройства для поглощения избыточной реактивной мощности непосредственно на линии с расстоянием между местами их установки не более 300...600км (рис.2). В этом случае напряжение вдоль линии не будет превышать нормируемого предела. При этом, поскольку передаваемая по линии мощность может изменяться в широких пределах в соответствии с графиком нагрузки (0<P<P_н), необходимо обеспечить плавное и быстрое регулирование мощности устройств. В качестве таких устройств служат управляемые и насыщающиеся реакторы. При наличии реакторов на линии отсутствуют ограничения дальности электропередачи переменного тока и их пропускной способности, связанные в основном с протеканием огромных потоков реактивной мощности по ВЛ повышенной натуральной мощности при отсутствии реакторов.

На рис.3 показано условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика (ВАХ) насыщающегося реактора (а) и управляемого реактора (б).

В связи с изложенным управляемые и насыщающиеся реакторы являются важнейшими устройствами высокого напряжения, без которых невозможно обеспечить передачу больших мощностей на далекие расстояния по линиям переменного тока. К тому же они являются самыми экономичными устройствами потребления избыточной реактивной мощности [4, 5].

Плавное изменение мощности управляемых и насыщающихся реакторов придает электропередаче повышенной натуральной мощности cледующие положительные свойства: возможность рационального распределения напряжения и тока в линии, повышение пропускной способности ЛЭП по статической устойчивости, ограничение коммутационных перенапряжений, снижение потерь энергии в линии.

Важнейшей частью регулируемых реакторов являются системы автоматического управления (САУ), способные управлять режимами электропередач и электроэнергетических систем. К САУ предъявляются требования достаточных быстродействия и точности регулирования, причем, эти два требования находятся во взаимном противоречии и необходимо компромиссное решение [6, 13].

С одной стороны, точность регулирования должна обеспечивать ограничения нормативных документов на допустимые пределы изменения параметров режима электропередач. Так, например, допустимое отношение наибольшего рабочего напряжения к номинальному составляет 1,05 для линий с номинальным напряжением U_ном=500 кВ и выше. Для того, чтобы поддерживать это отношение вдоль i-го участка линии, между двумя реакторами, необходимо чтобы САУ обеспечивала в линии, в месте установки УР, значение номинального напряжения с точностью = до 1%.

С другой стороны, при внезапном увеличении мощности нагруженной линии необходимо быстро снизить мощность УР. Для обеспечения нормированного запаса электропередачи по устойчивости максимальная (допустимая) передаваемая мощность P_доп должна быть меньше натуральной мощности P_н, чтобы при случайном набросе нагрузки передаваемая мощность не вышла за пределы натуральной. Это различие может составлять в зависимости от требований к надежности работы электропередачи. При этом в режиме максимальной допустимой нагрузки суммарная мощность реакторов, установленных в линии (или на участке линии), должна быть, согласно (5) не более

. (8)

При случайном набросе нагрузки до P=P_н мощность реактора должна быстро измениться до мощности холостого хода реактора так, чтобы не вызвать перегрузку синхронных генераторов реактивным током. Время для перехода на холостой ход реактора составляет примерно 0,3 c. Система автоматического управления должна обеспечить переход на холостой ход за это время.

Кроме того, на УР, еще возлагается функция ограничения вынужденной составляющей коммутационных перенапряжений. При значительном увеличении напряжения на реакторе вследствие возникновения перенапряжения, быстрое повышение мощности его обеспечивается автоматически, за счет свойств самого реактора в соответствии с его вольт-амперной характеристикой (рис.3, б). Однако при небольшом, но относительно длительном повышении напряжения на уровне (1,2...1,3)U_ф.ном такая самофорсировка происходить не будет, что может вызвать срабатывание релейной защиты. Для такого явления необходимо форсированно, за время не большее 0,3 c повысить мощность реактора от (0,2...0,3)Q_p.ном по крайней мере до 0,95Q_p.ном с дальнейшим более медленным нарастанием мощности реактора [4, 5]. Система автоматического регулирования УР должна обеспечить увеличение его мощности за указанное время.

Возможно осуществить регулирование реактивной мощности потребляемой УР по отклонению (изменению) напряжения. Такие регуляторы, выполненные на основе микропроцессоров или микроЭВМ [6], могут успешно работать в системах, содержащих относительно короткие электропередачи. В этом случае снижение передаваемой по линии мощности P всегда приводит к повышению напряжения в линии, что свидетельствует о наличии избытка реактивной мощности. При P<P_нат это означает, что необходимо обеспечить потребление реактивной мощности Q в системе, т.е. увеличить мощность УР. Это достигается посредством выработки управляющих импульсов в соответствии с рассогласованием между заданным напряжением (уставка) и измеренным напряжением в точке установки УР, подаваемых на тиристоры. Последние включены в мостовой, управляемый выпрямитель от которого питается обмотка управления реактора (рис.3, б). Увеличение передаваемой мощности P по линии приводит к понижению напряжения в ней, и необходимо соответствующим образом уменьшить реактивную мощность, потребляемую УР.

Как показано в [7], в случае дальних линий электропередачи целесообразно осуществлять регулирование реактивной мощности, потребляемой в УР по отклонению (изменению) передаваемой мощности, в соответствии с формулой

, (9)

где все параметры относятся к i-му участку линии между двумя пунктами установки реакторов (рис.2, б). Измеряя передаваемую мощность на участке линии P при известных , можно определить необходимую суммарную мощность УР для участка и соответственно мощность реакторов, установленных по концам участка (половина суммарной). Система автоматического управления должна соответствующим образом отрегулировать мощность УР. Комбинация реактора с автоматическим управлением по отклонению передаваемой мощности полностью решает проблему обеспечения устойчивости дальних электропередач. При этом необходимо регулирование возбуждения синхронных генераторов (СГ) по концам линии для поддержания напряжения на заданном уровне. Эти регуляторы должны иметь настройку по отклонению напряжения. При регулировании УР по отклонению передаваемой мощности и регулировании СГ по отклонению напряжения - напряжение в месте установки реактора остается практически неизменным, т.к. формула (9) получена из условия равенства напряжений по концам i-го участка линии.

Важным применением УР и НР является их использование в схеме статического компенсатора реактивной мощности (СКРМ), состоящего из параллельно включаемых конденсаторных батарей и управляемого (рис.4, а) или насыщающегося реактора (рис.4, б) в качестве регулирующего элемента СКРМ [3]. Такие СКРМ используются в ВЛ традиционного конструктивного исполнения. СКРМ способен потреблять или генерировать реактивную мощность в зависимости от режима энергосистемы. В СКРМ, в отличие от синхронного компенсатора, нет вращающихся частей. Он состоит из устройства для потребления (УР или НР) и генерирования (батарея конденсаторов - БК) реактивной мощности. Если СКРМ реализован на основе УР, то необходимо обеспечить автоматическое управление током подмагничивания. Вольт-амперные характеристики УР и НР, используемых в СКРМ, показаны на рис.3, а, б. Типичная ВАХ самого СКРМ, реализованного на основе НР, показана на рис.4, г из которого следует, что в пределах своей рабочей характеристики СКРМ способен регулировать напряжение в точке подключения. СКРМ близок по действию к синхронному компенсатору, но ему не свойственна механическая инерция, его быстродействие значительно выше [8].

СКРМ, выполненные на основе НР, применяются для управления режимами энергосистем с целью решения таких задач, как регулирование напряжения, повышение пропускной способности действующих и вновь построенных электропередач, ограничение перенапряжений и колебаний напряжения и др.

Вольт-амперная характеристика. СКРМ, приведенная на рис.4, г, имеет некоторый статизм, под которым понимается отношение изменения напряжения к изменению тока в регулировочном диапазоне компенсатора (участок ВАХ, заключенный между точками 1 и 2). Обычно статизм выражается в процентах по отношению к номинальному напряжению

. (10)

Знак статизма в большинстве случаев соответствует увеличению индуктивного тока при подъеме напряжения, а значение статизма определяется условиями точности поддержания напряжения и располагаемой мощностью СКРМ. Введение статизма в ВАХ позволяет осуществлять распределение нагрузок между параллельно работающими компенсаторами. Как правило, настроечный диапазон статизма составляет 0 до 10% в регулировочном диапазоне СКРМ. Значение статизма компенсатора обычно устанавливается равным 2..5%. Величина статизма регулируется посредством сериесного конденсатора C_s (рис.4, б). Напряжение, при котором СКРМ не потребляет и не выдает реактивную мощность, соответствует напряжению уставки U_y=U_н (рис.4, г). Обычно напряжение уставки может регулироваться в диапазоне . Режим работы СКРМ зависит от значения напряжения энергосистемы в точке его подключения по сравнению с напряжением уставки или, что тоже, по отношению к диапазону регулирования реактора. Если напряжение системы меньше или равно нижнему пределу U₁ регулировочного диапазона компенсатора, то вся реактивная мощность, генерируемая шунтовыми конденсаторами C_ш, поступает в сеть. При этом мощность, потребляемая реакторами, равна нулю. С увеличением напряжения часть мощности, генерируемой конденсаторами, потребляется реактором. Когда напряжение сети равно напряжению уставки U_y компенсатора, то мощность, генерируемая конденсаторами, равна мощности, потребляемой реактором. При увеличении напряжения выше номинального реактор продолжает поглощать реактивную мощность, пока не будет достигнута номинальная загрузка его, которая определяет верхний предел мощности компенсатора. Потребление реактивной мощности за верхним пределом зависит от перегрузочной способности компенсатора. Насыщающийся реактор обладает перегрузочной способностью до 3...4 отн. ед. и более, что позволяет использовать его для ограничения коммутационных перенапряжений.

Для реализации описанных выше функций в воздушных линиях электропередачи высокого напряжения используются реакторы трансформаторного типа со стержневым магнитопроводом [3].

2.2. Распределительные электросети

Под распределительной электрической сетью понимается сеть, к которой непосредственно присоединяются электроприемники. Как правило, распределительная сеть имеет две ступени напряжения в диапазоне номинальных напряжений 6...10 кВ и выше для высокой и 220...660 В для низкой стороны.

Режим работы электроприемников сопровождается отреблением активной и реактивной мощности. Активная мощность передается к электроприемникам от синхронных генераторов (СГ) электростанций, являющихся единственными ее источниками. В качестве источников реактивной мощности (ИРМ), кроме СГ используются синхронные компенсаторы (СК), синхронные двигатели (СД), батареи конденсаторов (БК) поперечного включения и тиристорные ИРМ. Источником реактивной мощности является также емкость воздушных и кабельных линий.

Для любого режима работы электрической системы всегда имеет место баланс реактивной мощности, т.е. суммарная генерируемая реактивная мощность всегда равна суммарной потребляемой мощности. Условие баланса соблюдается для каждого узла электрической сети и для всей электрической системы.

Генерируемая СГ и СК реактивная мощность передается в промышленные, городские и сельские распределительные сети. По техническим и экономическим соображениям такая передача реактивной мощности в распределительные сети нецелесообразна. Хотя потери в крупных СГ и СК на генерацию реактивной мощности невелики, но зато потери электроэнергии на передачу реактивной мощности по сети могут быть значительны. Поэтому более экономичным оказывается компенсация реактивной мощности на месте ее потребления. Для этих целей используются СД, БК и ИРМ.

СД выпускаются заводами отечественной электропромышленности с номинальным опережающим коэффициентом мощности, равным 0,9, и могут использоваться в качестве источников реактивной мощности, что является их побочной функцией. Техническая возможность использования СД в качестве источников реактивной мощности ограничивается наибольшей величиной реактивной мощности, которую он может генерировать без нарушения условий допустимого нагрева обмоток и магнитопровода. Для эффективного выполнения указанной функции СД должен быть снабжен системой автоматического регулирования возбуждения.

В качестве нерегулируемых ИРМ используются батареи конденсаторов. Относительно небольшие эксплуатационные расходы на БК и более простая технология производства привели к огромным избыткам БК в электрических сетях, что при неполной нагрузке приводит к проблеме компенсации избыточной реактивной мощности, генерируемой БК. Наиболее просто и экономично эта проблема может быть решена с помощью управляемых реакторов [9].

Суммарная мощность установки, состоящей из параллельно включенной емкости и регулируемого индуктивного сопротивления (рис.4, а, в) при пренебрежении активными потерями, определяется разностью мощностей отдельных составляющих

. (11)

Учитывая, что в электрических системах напряжение сети изменяется на относительно небольшую величину 10...15%, можно в первом приближении считать мощность БК Q_c неизменной. Мощность Q_L, потребляемая УР, будет меняться в зависимости от величины его индуктивности, т.е.

. (12)

Диапазон изменения мощности устройства, содержащего параллельно включенные индуктивность и емкость, определяется соотношением мощностей БК и УР. Если предположить, что мощность потребляемая реактором может изменяться от нуля до номинальной, то при равенстве установленных мощностей БК и УР суммарная мощность СКРМ будет изменяться в пределах

. (13)

При этом СКРМ будет генерировать реактивную мощность в сеть. В случае, если мощность УР будет больше мощности БК, СКРМ может работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности. При этом переход из одного режима в другой осуществляется плавно (рис.4, в).

Другая положительная особенность СКРМ заключается в том, что напряжение на реакторе и на батарее конденсаторов равно напряжению сети и не зависит от режима работы его и от способа регулирования мощности УР. Благодаря этому оказывается возможным включать реактор и БК непосредственно в сеть без промежуточного трансформатора.

Если осуществляется передача реактивной мощности от электростанции к месту ее потребления, то в сети появляются дополнительные потери напряжения и электроэнергии. Эти потери уменьшаются если СКРМ располагать в электрической близости от места потребления реактивной мощности. Так как при компенсации реактивной мощности потери напряжения в сети уменьшаются, то при определенных условиях СКРМ используется не только для обеспечения баланса реактивной мощности, но и в качестве средства регулирования напряжения в сети в месте его установки. Экономический эффект компенсации реактивной мощности заключается в снижении потерь электроэнергии в сети и уменьшении стоимости ее сооружения за счет повышения пропускной способности.

Большая часть электрических сетей на напряжение 6...10 кВ и выше эксплуатируется с компенсацией емкостных токов, возникающих при однофазном замыкании на землю. Компенсация осуществляется с помощью дугогасящего (управляемого) реактора, включаемого между нейтралью трансформатора и землей. Дугогасяший реактор предназначен предотвратить развитие электрической дуги в месте однофазного замыкания, если его индуктивное сопротивление равно емкостному сопротивлению сети на землю.

В качестве дугогасящего реактора может быть использован магнитно-вентильный УР [10].Этот реактор имеет практически линейную вольт-амперную характестику в заданном ограниченном диапазоне изменений тока. Требование практической линейности диктуется необходимостью устранить высшие гармоники в токе реактора, поскольку компенсация имеет место только для основной частоты и токи иных частот протекают через дугу в месте замыкания.

При соединении фазы с землей возникает переходный процесс, сопровождающийся насыщением магнитопровода реактора вследствие появления однонаправленной медленно затухающей составляющей магнитного потока. Индуктивное сопротивление реактора при этом уменьшается и приближается к требуемому значению емкостного опротивления сети на землю. Дугогасящие управляемые реакторы снабжаются автоматическими регуляторами тока подмагничивания, которые обеспечивают и поддерживают равенство индуктивного сопротивления реактора и емкостного сопротивления сети на землю.

В распределительных электросетях возможно использование и реакторов электромашинного типа, и реакторов трансформаторного типа, т.к. и те, и другие могут быть выполнены на то или иное номинальное напряжение распределительных электросетей и включены в сеть без промежуточного трансформатора.

2.3. Системы электроснабжения промышленных предприятий

Характерной особенностью металлургических и многих машиностроительных предприятий является резкопеременная нагрузка, которая обусловливает колебания напряжения, уровень которых превышает ограничения ГОСТ. На металлургических предприятиях такой нагрузкой являются прокатные станы с вентильными электроприводами, электродуговые сталеплавильные печи, на машиностроительных - мощные сварочные агрегаты. ГОСТ ограничивает допустимые пределы колебания напряжения 1,5% от номинального напряжения, однако, на указанных предприятиях колебания напряжения могут достичь 4..12% и более. При этом другие показатели качества электроэнергии, а именно, отклонение напряжения, несинусоидальность тока и несимметрия напряжения, также не соответствуют требованиям ГОСТ. Колебания напряжения отрицательно сказываются на работе многих потребителей электроэнергии, а именно: ЭВМ, систем автоматики и телемеханики, АСУ, логической аппратуры и др. Они также отрицательно влияют на производительность труда и зрение работников.

Колебания напряжения уменьшаются в 8...10 раз с помощью статических компенсаторов реактивной мощности, состоящих из насыщающегося реактора и батареи конденсаторов, включенной параллельно. СКРМ с насыщающимся реактором (рис.4, б) называется параметрическим компенсатором, т.к. потребляемая или генерируемая им реактивная мощность является функцией приложенного к СКРМ напряжения сети. В СКРМ с НР отсутствует какая-либо внешняя система управления, являющаяся существенно инерционным звеном при решении задачи уменьшения колебания напряжения. Параметрический СКРМ имеет рабочую область на результирующей вольт-амперной характеристике за "коленом" кривой, где зависимость реактивного тока от напряжения сети в первом приближении может быть принята линейной (рис.4, г, участок на вольт-амперной характеристике СКРМ, заключенный между точками 1 и 2). При снижении напряжения сети почти пропорционально снижаются ток и реактивная мощность, потребляемая НР; поскольку реактивная мощность батареи конденсаторов изменяется относительно незначительно, то резко увеличивается генерация в сеть реактивной мощности шунтовой батареей конденсаторов. В случае повышения напряжения аналогичным образом увеличивается потребляемая реактором реактивная мощность. За счет указанного быстрого параметрического изменения реактивной мощности СКРМ как по величине, так и по знаку и осуществляется уменьшение колебаний напряжения.

Для ограничения колебаний напряжения используются НР как трансформаторного типа, со стержневым магнитопроводом, так и электромашинного типа, с кольцевым магнитопроводом [11]. Параметрические СКРМ, используемые для уменьшения колебаний напряжения, имеют ряд преимуществ перед синхронными компенсаторами, а именно: более высокое быстродействие, меньшие удельные активные потери, простота обслуживания и др.

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВМЕЩЕННЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ

На основании выполненного анализа разработаны, сформулированы и обобщены следующие принципы построения многофункциональных электромагнитных силовых устройств,предназначенных для решения задач управления режимами электроэнергетических систем [12, 13]. Реализация этих принципов позволяет создать работоспособные, технологичные устройства, обладающие приемлемыми технико-экономическими показателями:

1) модульность конструкции для устройств трансформаторного типа. Данный принцип позволяет приблизить технологию изготовления устройств (их модулей) к технологии изготовления серийных силовых трансформаторов, а также существенно снизить (как правило на 2/3) мощность аварийного резерва. При средней мощности устройств возможно объединение магнитопроводов модулей в единый, т.е. реализация одномодульной конструкции;

2) для устройств электромашинного типа использование пластин статора серийных электрических машин переменного тока общепромышленного назначения. В [11] показано, что при полюсной трехфазной рабочей обмотке реактора оптимальным с точки зрения регулировочных свойств является использование пластин статора 4-полюсных асинхронных двигателей;

3) расщепление катушек фаз и стержней магнитопровода для устройств трансформаторного типа с целью улучшения формы кривой регулируемого тока и исключения индуктивных связей между гармониками временного спектра магнитного поля и обмотками;

4) реализация режимов свободного намагничивания по некоторым гармоникам насыщения магнитного поля, режима самоподмагничивания по 2-й гармонике и режима симметричного намагничивания. Указанные режимы намагничивания обусловливают такие положительные качества устройств трансформаторного и электромашинного типа, как уменьшение потерь в стали, увеличение диапазона регулирования реактивной мощности, усиление стабилизирующего эффекта по току, сокращение длительности переходных процессов, для устройств электромашинного типа исключение "трясущих" вибраций магнитопровода при 2-полюсной рабочей обмотке и др.;

5) объединение функций отдельных устройств в одном совмещенном устройстве и функций отдельных обмоток в одной совмещенной обмотке, а именно: УР и силовой трансформатор, обмотка переменного тока и БК, обмотка переменного тока и обмотка управления, обмотка переменного тока и внешний источник постоянного тока (за счет включения тиристоров в обмотку);

6) фазы обмоток высокого напряжения реакторов целесообразно выполнять состоящими из одной катушки, как и в силовых серийных трансформаторах. Это позволяет изготовлять обмотки устройств на трансформаторные напряжения и подключать их к ЛЭП без промежуточного трансформатора;

7) фазы обмоток низкого напряжения целесообразно совмещать с фазосдвигающими обмотками, с обмотками управления, с обмотками короткозамкнутыми по некоторым высшим гармоникам магнитного поля и др. Это позволяет снизить материалоемкость устройств и улучшить форму кривой регулируемого рабочего тока;

8) третью и девятую гармоники магнитного поля целесообразно локализовать в устройстве так, чтобы было возможно заземлить нейтраль высоковольтной обмотки непосредственно подключаемой к ЛЭП;

9) исключение в обмотках короткозамкнутых контуров, которые имеют индуктивную связь с основными энергонесущими гармониками магнитного поля, что необходимо для повышения быстродействия устройств.

В соответствии с вышеперечисленными принципами разработан класс совмещенных системных устройств многоцелевого назначения, которые необходимы для улучшения режимов работы дальних электропередач переменного тока, распределительных электросетей 6...10 кВ и выше и систем электроснабжения промышленных предприятий. Устройства обладают заданными улучшенными показателями, а именно: сниженная материалоемкость, повышенная надежность, меньшее количество устанавливаемого в электроэнергетических системах оборудования, уменьшенные капитальные и эксплуатационные затраты, увеличенный диапазон регулирования реактивной мощности, пониженные потери в стали, сокращенное время переходных процессов и др.

Два совмещенных управляемых реактора-трансформатора разработаны и изготовлены на мощность 250 кВ·А, напряжение 10/0,4 кВ и установлены на подстанциях в распределительных электросетях. На стороне высокого напряжения установлена (по схеме рис.4, а) батарея конденсаторов 3 x 100 квар, напряжение 6,3 кВ. Результаты испытаний и опытной эксплуатации свидетельствуют о выполнении заданных функций: трансформация напряжения, компенсация реактивной мощности и улучшение качества электроэнергии.

Изготовлен управляемый реактор электромашинного типа с 2-полюсной рабочей обмоткой на базе пластин статора асинхронного 4-полюсного двигателя ВАО14-4, в нем реализован режим симметричного намагничивания. Мощность реактора составляет 250 кВ·А, он предназначен для использования в схеме источника питания плазматрона для воздушной плазменной резки металлов. Как установлено по данным испытаний качественные показатели реактора, используемого в схеме источника питания, в первую очередь, в диапазоне средних по величине рабочих токов, являются хорошими.

Разработан, изготовлен и испытан программно-аппаратный комплекс автоматического поддержания на заданном уровне напряжения энергосистемы в месте установки управляемого реактора, реализованный на основе однокристальной микроЭВМ [6, 13].

Выводы

1. Выполнен обзор путей решения проблемы техники электропередачи высокого напряжения, состоящей в том, что при больших расстояниях начинает существенно сказываться емкостная проводимость линии и значительно возрастает емкостной ток, который уменьшает пропускную способность линии. Это явление сопровождается недопустимым повышением напряжения.

2. Дана классификация управляемых потребителей реактивной мощности по различным признакам и показано что их использование в энергосистемах позволяет решить следующие задачи управления режимами систем: компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП и повышение их пропускной способности, ограничение коммутационных перенапряжений, ограничение токов короткого замыкания, уменьшение колебаний напряжения, рациональное распределение напряжения и тока и др.

3. Разработаны, сформулированы и обобщены принципы построения многофункциональных электромагнитных силовых устройств, предназначенных для решения задач управления режимами электроэнергетических систем.

4. Разработан класс совмещенных управляемых реакторов и реакторов-трансформаторов являющихся системными устройствами многоцелевого назначения. Они выполняют одновременно функции отдельных реактора и силового трансформатора, реактора и батареи конденсаторов, реактора и источника постоянного тока и др. и предназначены для улучшения режимов работы ЛЭП, распределительных электросетей 6...10 кВ и выше и систем электроснабжения промышленных предприятий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глебов И.А. Всесоюзный симпозиум Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах // Электротехника. - 1990. - №5. - С.76-77.

2. Загрядцкий В.И. Совмещенные электрические машины. - Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1971. - 164 c.

3. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные устройства для улучшения качества электроэнергии // Энергосбережение. - 1998. - Вып. №3. - С.37-42.

4. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.

5. Новые средства передачи электрознергии в энергосистемах. / Под ред. Г.Н.Александрова. - Л.: ЛГУ, 1987. - 232 с.

6. Забудский Е.И. Микропроцессорная система автоматического управления стабилизацией напряжения электросети // Энергосбережение. - 1998. - Вып. №4. - С.54-61.

7. Александров Г.Н. Электропередачи переменного тока на основе компактных линий повышенной пропускной способности и управляемых шунтирующих реакторов // Электричество. - 1994. - №6. - С.11-15.

8. Забудский Е.И. Анализ электромагнитных режимов совмещенных управляемых устройств электроэнергетического назначения // Энергосбережение. - 1999. - Вып. № 1.- С.62-75.

9. Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах: Тезисы докладов симпозиума / Под ред. акад. И.А.Глебова. - Л.: ЛПИ, 1989. - 76 с.

10. Управляемые шунтирующие реакторы // Электротехника. - 1991. - №2 (специальный выпуск). - 71 с.

11. Мишин В.И., Забудский Е.И., Собор И.В. Трехфазные управляемые реакторы. - Кишинев: Штиинца, 1977. - 133 с.

12. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные устройства для систем управления в электроэнергетике: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.13.05. - Защищена 23.10.96; утв. 11.04.97; 05960002471. - Ульяновск, 1996. - 461 с.: илл. 117. - Библиогр.: 232 назв.

13. Забудский Е.И. Совмещенные управляемые реакторы- трансформаторы для электроэнергетики // 4th International Conference on „Unconventional Electromechanical and Electrical Systems", Труды конференции. - Санкт-Петербург: СПбГТУ, 21-24 июня 1999. - С.1253-1258.