Автор: Каленик В.А., к. т. н., доц.; Вильнер А.В., к. т. н.
Источник: Издательство: ИП Шелистов Денис Александрович (Издательский центр Quantum
)
Аннотация: статья посвящена анализу условий целесообразного использования управляемых шунтирующих реакторов на дальних ЛЭП (ДЛЭП) для компенсации в них реактивной мощности и снижения потерь активной мощности. Показано, что для оптимизации режима ДЛЭП требуется одновременное регулирование на ней напряжения и реактивной мощности в конечных узлах. Представлена схема управляемого шунтирующего реактора- автотрансформатора, совмещающего функции реактора и регулятора напряжения на линии. Регулирование напряжения в широком диапазоне производится путем изменения сцепления основного магнитного потока с регулировочной частью сетевой обмотки, выполняемого регулированием тока обмотки управления.
Ключевые слова: реактивная мощность и ее компенсации, согласованное регулирование напряжения и реактивной мощности, управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор.
В современных условиях развития электроэнергетических систем и применения управляемых линий электропередачи задача регулирования напряжения на линии электропередачи и компенсации генерируемой линией реактивной мощности является весьма важной.
В дальних электропередачах переменного тока при передаче натуральной мощности:
где Uном – номинальное напряжение линии электропередачи (ЛЭП);
Zc – волновое сопротивление линии; мощности электрического и магнитного полей равны и реактивный ток линии и ее реактивная мощность равны нулю. При неизменном напряжении на линии с волновой длиной λ ее реактивная мощность (генерируемая или поглощаемая) определяется соотношением:
Положительному значению Q соответствует режим генерации реактивной мощности (Р < Pc ), а отрицательному (Р > Pc ) – режим потребления реактивной мощности.
При больших волновых длинах линии мощность ее электрического поля сравнима по значению с натуральной мощностью Pc. Это обстоятельство определяет необходимость применения регулируемых компенсаторов реактивной мощности. Проблема дальних электропередач одна: согласование условий передачи электроэнергии различной мощности, отличной от натуральной. Идеальным средством такого согласования являются управляемые шунтирующие реакторы (УШР), компенсирующие избыточную мощность электрического поля в донатуральном режиме, в том числе и в режиме холостого хода, поэтому номинальная мощность УШР должна быть равна зарядной мощности линии. В результате УШР обеспечивает устойчивую передачу электроэнергии от нуля до натуральной мощности в квазинатуральном режиме, когда напряжение вдоль всей линии сохраняется неизменным, и отсутствует сквозной поток реактивной мощности вдоль линии.
Фирмой ВВС в 70–х годах прошлого столетия был разработан УШР трансформаторного типа УШРТТ, у которого обмотка управления примыкает к основному стержню магнитопровода, далее расположена компенсационная обмотка и снаружи сетевая обмотка, которая предназначена для подключения к ЛЭП. Напряжение короткого замыкания УШР ТТ составляет примерно 100 % от номинального, что обеспечено увеличением межобмоточного расстояния и числа витков обмоток по сравнению с трансформатором той же мощности. Изменение тока обмотки управления, осуществляемое тиристорными блоками, приводит к вытеснению магнитного потока из основного стержня и, как следствие, увеличению сопротивления этому потоку, что вызывает увеличение реактивного тока, потребляемого УШРТТ из высоковольтной электропередачи [1].
Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются, в основном, для поддержания напряжения в контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное регулирование на ней напряжения и реактивной мощности.
Экономичный режим работы электропередачи достигается изменением в достаточно широких пределах рабочего напряжения линии по обоим ее концам в функции передаваемой мощности. Для передающего и приемного узлов оптимальные по потерям мощности напряжения равны:
где P1 и P2 – активные мощности отправного и приёмного узлов.
Коэффициент пропорциональности между активной мощностью линии и напряжением
определяется обобщенными параметрами линии A, B, C и D и значением оптимальной проводимости шутрирующих реакторов (ШР) её конечных узлах:
Из уравнений (2) видно, что экономичный по потерям уровень напряжения концов линии пропорционален корню квадратному из активной мощности конечных узлов. Проводимость ШР bm не зависит от мощности линии и определяется только её обобщенными параметрами [2].
Согласно (2) оптимальные мощности по концам линий
а отношение их определяет максимальное значение к. п. д. линии:
В режиме λmax оптимальный перепад напряжений на линии равен:
Этот перепад всегда больше единицы и возрастает с увеличением длины линии. Следовательно, при глубоком регулировании напряжения на линии по выражениям (2) можно любую нагрузку передать с максимальным к.п.д. λmax.
Если проводимости ШР по концам линии выбраны по (4), то потребление из нее реактивной мощности будет определенным и равным
Следует отметить, что λmax при меняющейся нагрузке узлов P1 и P2 может быть получен только за счёт согласованного регулирования напряжений по (2) но не путем произвольного изменения параметров компенсирующих устройств (реакторов).
Для оптимизации режима электропередачи необходимо одновременное и согласованное изменение напряжения и реактивной мощности по концам линии в функции активной мощности по выражениям соответственно (2) и (6).
На рисунке 1 показана принципиальная однолинейная схема однофазного блока трехфазного управляемого шунтирующего реактора-автотрансформатора (УШРАТ), на которой сетевая обмотка, состоящая из согласно включенных последовательной обмотки 1 и общей обмотки 2, включена на фазное напряжение, компенсационная обмотка 3, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3–ей гармонической, имеет фильтры высших гармонических, состоящих из последовательно соединенных конденсатора 4 и дросселя 5, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники. Обмотка управления 6 подключается к управляющему блоку 7, который формируется на основе встречно включенных тиристоров и служит для регулирования тока сетевой обмотки [3].
Рисунок 1 – Принципиальная схема УШРАТ
Конструкция УШРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего стержень, торцевые и боковые ярма, обмотки управления 6, расположенной на стержне, которую охватывают: последовательная обмотка 1, затем компенсационная обмотка 3 и снаружи общая обмотка 2. Узел соединения между последовательной обмоткой и общей обмоткой 8 подключается непосредственно к линии электропередачи, а начало последовательной обмотки 1 соединяется через выключатель 9 с шинами отправной (приемной) подстанции 10.
УШРАТ предназначается для компенсации емкостной мощности, которая генерируется ЛЭП, и глубокого изменения на ней напряжения. Изменение потребляемой из ЛЭП реактивной мощности осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах магнитопровода. При увеличении сопротивления возрастает намагничивающая сила (ток) сетевой обмотки УШРАТ. Непрерывное регулирование потребления реактивной мощности осуществляется за счет изменения угла отпирания тиристоров управляющего блока 7. Увеличение тока обмотки управления 6 вызывает вымещение магнитного потока из стержня. В режиме короткого замыкания обмотки управления 6, осуществляемого блоком 7 (тиристоры полностью открыты), основной магнитный поток полностью вымещается из стержня. При этом последовательная обмотка 1 теряет связь с основным магнитным потоком ввиду его вытеснения из стержня, на котором размещена эта обмотка. Короткозамкнутая обмотка управления 6 не может иметь потокосцеплений с магнитным потоком УШРАТ. Следовательно, в номинальном режиме (обмотка 6 замкнута) магнитный поток должен замыкаться таким образом, чтобы суммарное потокосцепление с обмоткой 6 было равно нулю при обеспечении необходимого потокосцепления с сетевой обмоткой (обмотки 1 и 2 включены последовательно и согласно). Это означает, что основная часть магнитного потока проходит вне обмоток 6 и 1, расположенных на стержне.
Этот режим характерен тем, что в последовательной обмотке 1 не индуцируется э.д.с., направленная встречно приложенному напряжению. Тогда потенциал начала обмотки 1 сообщается его концу и напряжение, приложенное к сетевой обмотке УШРАТ, переходит к выводу узла соединения последовательной и общей обмоток 8, т. е. передается линии. УШРАТ в этом режиме не действует как понижающий автотрансформатор (для отправного конца линии), а потребляет из линии максимальную реактивную мощность.
Если не требуется потребление реактивной мощности из ЛЭП, УШРАТ работает как обычный понижающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации
где E1 и E2 – э. д. с., индуцируемые основными магнитным потоком соответственно в последовательной 1 и общей 2 обмотках.
При вытеснении магнитного потока из стержня происходит снижение э.д.с. E1 и увелечение коэффициента трансформации KT и, соответственно, напряжения на выводе 8.
Следует заметить, что повышение коэффициента KT при увеличении тока обмотки управления 6 приводит к снижению эквивалентного числа витков сетевой обмотки:
где W1 и W2 – число витков обмоток 1 и 2, из–за вымещения основного магнитного потока из зоны расположения обмотки 1.
Изменение (увеличение) коэффициента трансформации KT, ведущее к уменьшению числа витков сетевой обмотки, должно сопровождаться дополнительным увеличением реактивного тока, потребляемого УШРАТ из ЛЭП, исходя из соотношения:
где Uф – полное напряжение фазы; bp – проводимость УШРАТ.
Обмотка управления 6 замыкается тиристорным блоком 7, рассчитанным на полную мощность УШРАТ. При полностью открытых тиристорах в сетевой обмотке и обмотке управления 6 ток равен номинальному. Это возможно в том случае, если напряжение короткого замыкания УШРАТ равно 100 % его номинального напряжения. Последнее достигается соответствующим расположением сетевой и управляющей обмоток. Большая часть сетевой обмотки – общая обмотка 2 располагается на магнитопроводе с большим зазором по отношению к обмотке управления 6. Последовательная обмотка 1, которая является составной частью сетевой обмотки, имеет меньший зазор с обмоткой 6.
При нагрузке линии, составляющей 10 – 20 % ее натуральной мощности Pc, УШРАТ работает в режиме автотрансформатора, понижающего напряжение в начале линии на 30 – 35 % от номинального уровня. Величина снижения общего уровня напряжения на линии согласуется с требованиями поддержания необходимого запаса устойчивости электропередачи. Следует заметить, что УШРАТ в отправном конце линии работает на понижение напряжения, а в приемном конце – на повышение напряжения до уровня напряжения шин приемного узла.
В диапазоне изменения нагрузки линии до (0,2 – 0,3) Pc напряжение на линии остаётся неизменным. При дальнейшем повышении нагрузки регулируется (повышается) ток обмотки управления 6, благодаря чему повышается напряжение на линии и увеличивается потребляемая из линии реактивная мощность. Этот процесс одновременного регулирования напряжения и реактивной мощности заканчивается при напряжении на линии, равному номинальному. Для линии 500 кВ с маркой провода 3–АСО–500 длинной 500, 1000, 1500 км указанное напряжение достигается при нагрузке линии, соответственно равной 0,35Pc, 0,6Pc и 1,0Pc.
Таким образом, УШРАТ позволяет осуществить оптимальное управление дальними ЛЭП сверхвысокого напряжения путем одновременного глубокого регулирования уровня напряжения и потребления избыточной мощности, генерируемой линией. При этом изменение коэффициента трансформации УШРАТ производится бесконтактным способом путем изменения сцепления основного магнитного потока с последовательной (регулировочной) обмоткой 1.