Исследование характеристик и оптимизация конструкций электрических аппаратов для компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередач сверхвысокого напряжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.06, кандидат технических наук Сергеев, Антон Вадимович

• Сергеев, Антон Вадимович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергеев, Антон Вадимович

XX

ШР

ЭА

СДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Шунтирующие реакторы с фиксированными параметрами

1.2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы

1.3. Управляемые тиристорами шунтирующие реакторы

1.4. Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА, ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛЭП СВН

2.1.Управляемый тиристорами шунтирующий реактор трансформаторного типа

2.2. Исследование динамических характеристик управляемого тиристорами шунтирующего реактора трансформаторного типа

2.3. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа с параллельными контурами управления

2.3.1. Формирование уравнений математической модели УШРТ с параллельными контурами управления

2.3.2. Расчет динамических характеристик УШРТ с параллельными контурами управления

2.3.3. Расчет динамических характеристик УШРТ с параллельными контурами управления с помощью программ расчета плоско-параллельного магнитного поля

2.3.5. Расчет динамических характеристик трехфазного УШРТ с параллельными контурами управления

2.4. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа с секционированной обмоткой управления

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ТОКЕ СЕТЕВОЙ ОБМОТКИ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

3.1. Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

3.1. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик и оптимизация конструкций электрических аппаратов для компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередач сверхвысокого напряжения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На протяжении последних десятилетий все острее ощущается проблема создания простых, надежных и экономичных электрических аппаратов для потребления избыточной реактивной мощности линий электропередач (ЛЭП) сверхвысокого напряжения (СВН) в режиме малых нагрузок. Экономически эта проблема обусловлена тем что, постоянно возрастает количество транспортируемой по линиям переменного тока электроэнергии, усиливаются требования к ее качеству, т.е. возникает необходимость в увеличении эффективности ЛЭП - повышении их пропускной способности и увеличении расстояний на которые может передаваться электроэнергия (дальности ЛЭП). Причем качество передаваемой энергии должно соответствовать установленным нормам [9]. Технически повышение эффективности ЛЭП связано с освоением все более высоких напряжений (сверхвысоких напряжений) при этом применявшиеся ранее способы решения указанной проблемы (использование генераторов электростанций в режиме потребления реактивной мощности, установка синхронных компенсаторов и шунтирующих реакторов с фиксированными параметрами) оказываются малоэффективными или неприемлемыми.

Известно, что для линий переменного тока наилучшим является натуральный

/

режим работы (т.е. режим при котором кратность тока линии к=—, где 1н -

н

натуральный ток линии, равна единице), т.к. в этом режиме одинаковы значения энергий электрического и магнитного полей, нет отраженных волн и реактивная мощность линии равна нулю. Если к > 1 линия не может передавать электроэнергию без дополнительных источников реактивной мощности (синхронных компенсаторов, батарей конденсаторов), если к < 1 - без потребителей избыточной реактивной мощности. Во время ночных и сезонных провалов нагрузки нарушается баланс энергии электромагнитного поля ЛЭП и возникают потоки реактивной мощности, вызывающие значительные дополнительные потери. При длине линии свыше 1000 км и при значительном отклонении ее режима работы от натурального мощность небаланса электромагнитного поля ЛЭП оказывается сравнимой с ее натуральной

з*ифн

мощностью. Натуральная мощность: Рн = 3 * I/фн * 1Н =----, мощность небаланса:

(2 = Рн * (1 - к2) * X, где ифП - номинальное фазное напряжение линии; г5 - волновое

сопротивление линии, а X - волновая длина линии [3,17].

Компенсация реактивной мощности ЛЭП СВН заключается в том чтобы при изменяющейся нагрузке в каждой точке сети обеспечить баланс реактивной мощности

при котором сохраняются напряжения в узлах близкие к номинальным и имеют место наименьшие потери в сети.

Электрическими аппаратами (ЭА), предназначенными для этой цели (при к < 1), являются шунтирующие реакторы - статические электромагнитные устройства, работа которых основывается на явлении электромагнитной индукции. Шунтирующие реакторы (ШР) включаются между фазами ЛЭП и землей.

По способу регулирования реактивной мощности, потребляемой реактором, различают:

1. Шунтирующие реакторы с фиксированными параметрами (нерегулируемые) -при номинальной нагрузке линии они отключаются, а при уменьшении нагрузки подключаются с помощью высоковольтных выключателей.

2. Регулируемые (управляемые) шунтирующие реакторы (УШР), которые должны обеспечивать возможность быстрого и плавного изменения потребляемой ими мощности без отключения от линии.

В настоящее время ЛЭП почти повсеместно оборудованы нерегулируемыми ШР. Поскольку передаваемая по линии мощность может изменяться в широких пределах в соответствии с графиком нагрузки, то следует обеспечивать регулирование мощности ШР, т.е. их ежедневную коммутацию,, что вызывает сложности в эксплуатации (ограниченный ресурс выключателей, перенапряжения при коммутации реакторов).

Применение на ЛЭП УШР позволит:

1. Отказаться от применения на длинных линиях ШР с фиксированными параметрами, необходимость ежедневной коммутации которых приводит к возникновению перенапряжений и ускоренной выработке коммутационного ресурса применяемых для этой цели выключателей.

2. УШР смогут обеспечить устойчивую и экономичную работу разрабатываемых в настоящее время ЛЭП повышенной натуральной мощности, позволяющих значительно увеличить дальность передачи электроэнергии по сравнению с линиями традиционного конструктивного исполнения без применения дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ) (см. [1, 3]).

УШР должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Обеспечивать: а) плавное регулирование реактивной мощности в нормальных режимах работы линий, б) быстрое увеличение реактивной мощности вплоть до номинальной в процессе коммутации линии, в) быстрое уменьшение реактивной мощности при внезапных скачкообразных повышениях нагрузки линии, г) практическую синусоидальность рабочего тока во всем диапазоне регулирования.

2. Быть надежными и экономичными.

Известные в настоящее время варианты конструктивного исполнения УШР для компенсации реактивной мощности ЛЭП СВН можно разделить на два основных типа:

УШР, управляемые посредством подмагничивания магнитопровода постоянным током (1, 17], и тиристорно-управляемые УШР в составе статических тиристорных компенсаторов (СТК) [13, 14]. Хотя аппараты обоих типов допускают автоматическое регулирование потребляемой ими реактивной мощности в широких пределах, каждому из них свойственны недостатки.

Так основными недостатками УШР первого типа являются значительная материалоемкость конструкции магнитной системы (МС) и выявившееся в процессе эксплуатации их опытных образцов, недостаточное быстродействие1. Поэтому для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЗП СВН они не нашли широкого применения.

УШР второго типа обладают хорошим быстродействием но для их подключения к линии необходимо использовать понижающий трансформатор напряжения, а для обеспечения синусоидальности искажаемой тиристорами кривой рабочего тока требуются фильтры, в качестве которых используются цепи батарей конденсаторов и специальных фильтровых реакторов. Фильтры подключаются на стороне высокого напряжения. Следует отметить, что использование в СТК конденсаторных батарей, выполняющих функцию ИРМ, предполагает работу ЛЭП в режиме, когда передаваемая по ней мощность превышает натуральную (Рн). Такой режим работы ЛЭП, как показано в [3], является неэкономичным (искусственным) во-первых, из-за значительной стоимости ИРМ, во-вторых, из-за дополнительных эксплуатационных издержек, связанных с их обслуживанием.

С целью устранения указанных недостатков существующих конструкций ЭА для потребления избыточной реактивной мощности ЛЭП ВН в настоящее время ведется работа по созданию новой конструкции аппаратов этого вида - управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа (УШРТ) [5], различные конструктивные исполнения которых являются основным объектом исследования настоящей работы.

Цель работы. Разработка теории и исследование технических характеристик ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН. Определение и оптимизация технико-экономических показателей возможных вариантов их конструктивного исполнения.

Методы исследования. 1. Расчетно-теоретические - на основе математического моделирования (составление и решение численными методами систем алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы, происходящие в рассматриваемых ЭА).

2. Экспериментальные исследования, выполненные при испытаниях физической модели УШРТ, рассчитанной на ЮкВ, мощностью 130квар.

1 Под быстродействием понимается время, необходимое реактору для переключения из одного режима потребления реактивной мощности в другой.

3. Графическая интерпретация и анализ результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Исследованы динамические характеристики УШРТ. Разработана и реализована программно методика расчета переходных процессов УШРТ, которая позволяет оценить его быстродействие и содержание высших гармоник в кривой тока подключаемой к ЛЭП сетевой обмотки (СО).

Проанализировано магнитное поле УШРТ при различных углах задержки включения тиристоров.

Теоретически (на основе расчетов) и практически (по результатам испытаний физической модели) подтверждена возможность создания нового типа УШР, имеющего лучшие технические характеристики (по сравнению с другими типами УШР) - повышенное быстродействие, низкое содержание высших гармоник в токе сетевой обмотки, возможность непосредственного подключения к ЛЭП СВН (без понижающего трансформатора напряжения).

Выполнен анализ технических характеристик возможных вариантов конструктивного исполнения УШРТ.

Практическая ценность. На основе теоретических положений и предложенных методик могут быть рассчитаны УШРТ различных классов напряжения и мощности, произведена оценка их технических параметров, проанализированы различные режимы работы с оценкой быстродействия и гармонического состава тока СО. Проверить точность теоретических положений и получить наглядное представление об электромагнитных процессах, происходящих в УШРТ, позволяют результаты расчета магнитного поля УШРТ. Разработанные математические алгоритмы и программы могут быть модифицированы и использованы при расчете других конструкций ЭА, применяемых для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования динамических характеристик УШРТ.

2. Описание электромагнитных процессов, происходящих в УШРТ, полученное в результате расчета магнитного поля УШРТ.

3. Рекомендации по совершенствованию конструктивного исполнения УШРТ.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 3

работы из них две статьи в журналах «Известия РАН. Энергетика.» и «Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ - Энергетика», а также отчет о научно-исследовательской работе.

1. Александров Г.Н., Афанасьев А.И., Селезнев Ю.Г., Альбертинский Б.И., Лунин В.П., Ванин В.К., Кашина В.А., Сергеев A.B. «Исследование и разработка быстродействующего управляемого шунтирующего реактора 500кВ, 180Мвар трансформаторного типа с пониженным содержанием высших гармонических составляющих тока» (отчет СПбГТУ о научно-исследовательской работе) 1996г.

2. Карпенко Л.Н., Сергеев A.B. Математическая модель для исследования электромагнитных процессов в управляемом шунтирующем реакторе трансформаторного типа. - Известия РАН. Энергетика, (в печати).

3. Сергеев A.B. Применение фильтров для ограничения высших гармонических в токе сетевой оемотки управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа. -Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ -Энергетика, 1998, NF6.

Результаты работы были доложены на заседании кафедры «Электрические и электронные аппараты» Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы - 21 наименование. Объем работы: 71 страница текста, 93 страницы рисунков.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор применяемых в настоящее время ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН. Наряду с ШР рассмотрены конструктивные схемы и принципы работы двух типов управляемых реакторов: УШР с подмагничиванием магнитопровода постоянным током и используемые в составе СТК реакторы, управляемые тиристорами. Отмечены положительные и отрицательные стороны, присущие УШР обоих типов. Обоснован выбор исходной конструктивной схемы УШРТ.

Во второй главе рассмотрена методика расчета конструктивных параметров УШРТ, алгоритм их оптимизации, предложены математические модели для исследования динамических характеристик УШРТ на основе схем магнитной и электрической цепей и с помощью программ расчета плоско-параллельного магнитного поля УШРТ. Представлены примеры расчетов для нескольких конструктивных схем УШРТ (в однофазном и трехфазном исполнении), дана количественная оценка содержания высших гармоник в токе СО.

В третьей главе рассмотрены пути дальнейшей оптимизации конструктивного исполнения УШРТ на основе применения внутренних фильтров для ограничения высших гармонических в токе сетевой обмотки.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных при испытаниях физической модели УШРТ на ЮкВ, мощностью 130квар.

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛБНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В соответствии с данной во введении классификацией ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП ВН в данной главе рассматриваются основные варианты конструктивного исполнения для каждого из перечисленных там типов ЭА.

1.1. Шунтирующие реакторы с фиксированными параметрами

На рис.1.1а изображена одна из возможных схем конструктивного исполнения шунтирующего реактора (ШР) с фиксированными параметрами. Индуктивность ШР этого типа определяется величиной воздушного зазора в стержне его магнитной системы. Подключение к ЛЭП таких реакторов осуществляется с помощью силового выключателя. Быстродействие ШР определяется временем срабатывания коммутирующего его выключателя (порядка 100 мс) и длительностью переходного процесса, возникающего в токе подключаемой к ЛЭП обмотки.

Изображенная на рис.1.1а картина распределения магнитного потока в МС ШР показывает, что для уменьшения потерь от выпучивания потока необходимо выполнять воздушный зазор ступенчатым, используя магнитные и немагнитные прокладки. Соответствующее изменение конструкции и картина магнитного поля показана на рис.1.1 б. Из этого же рисунка видно, что часть магнитного потока замыкается по воздуху, что может привести на практике к дополнительным потерям в проводах обмоток и баке реактора. Поэтому в мощных ШР следует принимать специальные меры для защиты бака и уменьшения степени его нагрева. В трехфазном варианте возможно как пофазное исполнение ШР, так и использование трехстержневого (рис.1.2а) (или пятистержневого (рис.1.2б) магнитопровода,).

Основными достоинствами ШР являются простота конструкции и относительно небольшая стоимость изготовления.

С эксплуатацией ШР связаны следующие основные недостатки, [4]:

■ необходимость частой коммутации при изменении режима передачи электрической энергии;

■ необходимость установки силовых выключателей для подключения/отключения ШР;

Обмотка

Возоццньй завср(1в)

Мотитопровад

Рис.1.1а. Конструктивная схема и соответствующая ей картина магнитного поля ШР с фиксированными параметрами при сплошном воздушном зазоре в стержне магнитной системы.

Рис.1.16. Конструктивная схема и соответствующая ей картина магнитного поля ШР фиксированными параметрами при ступенчатом воздушном зазоре в стержне магнитной системы.

с

ЛЭП ВН

Рис.1,2а. Трехфазный ШР с трехстержневым магнитопроводом.

ЛЭП ВН

Рис.1.2б. Трехфазный ШРс пятистержневым магнитопроводом.

■ возбуждение коммутационных перенапряжений при коммутации реакторов и, соответственно, преждевременный износ изоляции высоковольтного оборудования и прежде всего самих ШР;

■ быстрая выработка коммутационного ресурса выключателей:

■ отсутствие реакторов на линии при аварийном отключении линий под нагрузкой (разрыв электропередачи) и. соответственно, сложности ограничения перенапряжений в этом режиме.

Необходимость устранения указанных недостатков привела к разработкам различных вариантов УШР, управляемых подмагничиванием.

1.2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы.

Наиболее полный обзор возможных конструктивных реализаций реакторов этого типа дан в [15]. Отметим, что в России технический термин «Управляемые шунтирующие реакторы» относят именно к этому типу ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности.

По виду подмагничивания различают: УШР с кольцевым, продольным и поперечным подмагничиванием.

Кольцевое подмагничивание предполагает наведение в магнитной системе реактора вращающегося магнитного поля. Такие УШР выполняются как заторможенная электрическая неявнополюсная синхронная машина с обмоткой управления на роторе и рабочей обмоткой переменного тока на статоре. Для создания замкнутой магнитной системы статор жестко насаживается на ротор - с минимальным воздушным зазором. Трехфазная обмотка статора создает вращающиеся магнитное поле, а постоянный ток в обмотке ротора подмагничивает ротор и статор. При симметричной нагрузке высшие гармоники в токе обмотки статора отсутствуют.

Основные недостатки УШР этого типа: сложная технология изготовления и необходимость применения понижающего трансформатора при выполнении на класс напряжения выше 35кВ.

В реакторах с поперечным подмагничиванием постоянное магнитное поле замыкается в плоскостях магнитопровода, перпендикулярных оси стержня. Его силовые линии ортогональны силовым линиям переменного магнитного поля. Обмотка управления обычно располагается в полости магнитопровода вдоль его оси, а обмотка переменного тока наматывается вокруг стержня. Для ограничения высших гармоник в токе этой обмотки магнитопровод выполняется с немагнитными зазорами, обеспечивающими линейность его Вебер-амперной характеристики во всем диапазоне изменения подмагничивающего тока. Шихтовка стержня магнитопровода выполняется радиальной для образования полости для укладки обмотки управления.

Этим реакторам присущи те же основные недостатки, что и реакторам с кольцевым подмагничиванием.

В УШР с продольным подмагничиванием силовые линии магнитного поля сонаправлены или противоположны друг другу. Для подключения к ЛЭП ВН УШР этого типа, понижающий трансформатор не требуется. Известно несколько вариантов конструктивного исполнения таких реакторов (см. [6]. [11], [15], [19], [21]). Для примера рассмотрим конструкцию УШР с продольным подмагничиванием, предложенную сотрудниками Таллинского технического университета (см. [11]. [15]. [17]).

Этот реактор состоит из двух однотипных реакторных групп, соединенных параллельно (рис.1.3). Магнитопровод каждой группы - трехстержневой броневой. Каждый стержень подразделен на два полустержня (шесть полустержней на группу). Обмотки управления размещены на полустержнях и соединены с источником постоянного тока. Подключенные к ЛЭП обмотки переменного тока (сетевые), состоящие каждая из двух секций и охватывающие собой по два полустержня, соединены по схеме звезда - левый треугольный зигзаг (для первой группы) и звезда -правый треугольный зигзаг (для второй группы).

Параллельное соединение двух трехфазных групп с указанными схемами соединения обмоток позволяет компенсировать пятую и седьмую гармоники в токе сетевой обмотки. Гармоники, кратные трем, замыкаются в каждой группе внутри треугольников, входящих в состав зигзагов, а четные - внутри параллельно соединенных между собой обмоток управления. Таким образом, в токе сетевых обмоток присутствуют только гармоники порядка 12*и+1, где п—\,2 .... то есть 11-я, 13-я и т.д.. Конструктивная схема, соответствующая данному описанию УШР, изображена на рис.1.3.

Основные достоинства реакторов этого типа следующие:

• Возможность автоматического изменения потребляемой реактивной мощности в широких пределах;

• Возможность непосредственного подключения к ЛЭП ВН без понижающего трансформатора напряжения;

• Относительно простая система управления.

Основные недостатки, свойственные УШР с продольным подмагничиванием:

• Генерация четных и нечетных гармоник - необходимость их компенсации;

• Значительная материалоемкость конструкции, обусловленная ее «многомодульностью» для компенсации четных гармоник;

•Недостаточное быстродействие.

Из-за указанных недостатков широкого применения на практике, для потребления избыточной реактивной мощности ЛЭП ВН УШР с продольным подмагничиванием не получили (за исключением нескольких единичных случаев).

лэп вн

Рис.1.3 Схема трехфазного УШР управляемого подмагничиванием

Отметим, что до появления силовых полупроводниковых приборов, изменение индуктивности и реактивной мощности шунтирующих реакторов немеханическим путем могло осуществляться только посредством подмагничивания стали магнитопровода постоянным током (с использованием свойства резкой нелинейности ее характеристики).

Развитие силовой электроники позволило обеспечить регулирование реактивной мощности реакторов с фиксированными параметрми (ШР) с помощью управляемых силовых полупроводниковых вентилей (тиристоров) и, тем самым, устранить ряд недостатков, свойственных УШР, управляемых подмагничиванием. Практическое использование такие управляемые тиристорами реакторы получили в составе статических тиристорных компенсаторов.

1.3. Управляемые тиристорами шунтирующие реакторы.

На рис.1.4 показана одна из возможных конструктивных схем однофазного тиристорно-управляемого шунтирующего реактора. Как видно из рисунка, он представляет собой ШР (см. рис.1.1) в цепь обмотки которого включен тиристорный блок, состоящий из встречно-параллельно включенных тиристоров. Регулирование мощности такого ШР осуществляется посредством ограничения времени протекания тока в цепи его обмотки в пределах, задаваемых включением и отключением тиристорных ключей, в соответствии с командами системы управления, которая регулирует угол задержки включения тиристоров (или угол отпирания тиристоров). Обычно этот угол отсчитывается от момента перехода через ноль фазного напряжения ЛЭП. Коммутация ШР происходит при включении в проводящее состояние одного из тиристоров в положительный, а другого в отрицательный полупериоды кривой напряжения. Когда тиристоры полностью открыты - мощность ШР достигает своего номинального значения. Таким образом, для данного ШР можно построить семейство линейных вольтамперных характеристик (ВАХ) для каждого из значений угла отпирания тиристоров (см. рис.1.4), тогда как обычному ШР (рис.1.1 б) соответствует единственная линейная ВАХ.. Для подсоединения таких реакторов к ЛЭП ВН необходим трансформатор, т.к. допустимое напряжение для тиристорных ключей ограничено до 35кВ.

Поскольку магнитная система тиристорно - управляемого ШР не насыщается, проблема компенсации четных гармоник отпадает1, но при регулировании мощности

1 Четные гармоники могут появиться в токе сетевой обмотки тиристорно-управляемого реактора в случае, если значения углов отпирания тиристоров на положительном и отрицательном полупериодах не равны друг другу, в результате чего возникает разность положительных и отрицательных амплитудных значений тока реактора.

Рис.1.А. Конструктивная схема, электрическая схема замещения и вольтамперные характеристики однофазного тиристорно-управляемого шунтирующего реактора.

ЛЭПВН

Рис. 1.5. Схема 6-ти пульсного тиристорно-управляемого шунтирующего реактора.

Рис.1.6 Схема 12-ти пульсного управляемого тиристорами шунтирующего реактора

реактора (когда тиристоры открыты не полностью) в токе сетевой обмотки возникают высшие нечетные гармоники, при этом наибольшую величину имеют 3-я, 5-я, 7-я, 9-я гармоники.

Для примера рассмотрим две возможные схемы исполнения тиристорно-управляемых реакторов, построенные на основании их общего описания, данного в [13]. {14]: реактор с 6-ти пульсной схемой управления (рис. 1.5) и реактор с 12-ти пульсной схемой управления (рис.1.6).

В первом случае (рис.1.5) ШР через тиристорные блоки подключаются к вторичным обмоткам трехфазного понижающего трансформатора напряжения. Для компенсации высших гармоник, кратных трем, вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник, а компенсация пятой и седьмой гармоник обеспечивается фильтрами, подключенными на стороне высокого напряжения (на рис.1.5 не показаны).

Во втором случае (рис.1.6) тиристорно-управляемый ШР состоит из двух 6-ти пульсных блоков соединенных, как и в предыдущем случае, в треугольник, для компенсации гармоник, кратных трем и подключенных к двум вторичным обмотокам понижающего трансформатора, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду. Оба 6-ти пульсных блока работают с одинаковыми углами задержки включения тиристоров. Благодаря 30-ти градусному сдвигу между одноименными фазами различных блоков, гармоники порядка 6*(2*п+1)±1 замыкаются в трансформаторе, таким образом, в сеть попадают только 11-ая, 13-ая и 25-ая гармоники.

Достоинствами тиристорно-управляемых ШР является их более высокое быстродействие, по сравнению с насыщающимися УШР, а также, отсутствие дополнительного оборудования для подмагничивания магнитопровода.

Одним из недостатков тиристорно-управляемых ШР. как уже отмечалось выше, является необходимость использования понижающего трансформатора. Среди известных схем тиристорно-управляемых реакторов, входящих в состав СТК (см. [13], 114]), имеется только одна схема, не требующая применения понижающего трансформатора: управляемый тиристорами ШР, входящий в состав СТК, установленного на подстанции Лорентид (Канада). Он представляет собой модернизированный вариант 6-ти пульсного тиристорно-управляемого ШР. Его понижающий трансформатор напряжения, в отличие от обычных трансформаторов, имеет напряжение короткого замыкания ) 100%. Это означает, что при замкнутой

накоротко вторичной обмотке и при номинальном напряжении (т.е. фазном напряжении ЛЭП) на зажимах сетевой обмотки по ней протекает номинальный ток. Три тиристорных блока включены в цепь вторичных обмоток этого трансформатора, а для компенсации гармоник, кратных трем, вторичные обмотки соединяются в треугольник. Компенсация пятой и седьмой гармоник обеспечивается с помощью фильтра двойной настройки, подключенного на стороне высокого напряжения, (что

является слабым звеном данной конструкции). Регулирование потребления реактивной мощности осуществляется с помощью тиристорных ключей, за счет плавного перехода трансформатора из режима холостого хода (когда ток сетевой обмотки имеет наименьшее значение) в режим короткого замыкания вторичной обмотки (в котором ток сетевой обмотки достигает своего номинального значения), или наоборот. Таким образом, в данной схеме трансформатор совмещает в себе две Функции: функцию понижения напряжения до уровня допустимого для тиристорных блоков и функцию потребления реактивной мощности. Дополнительная установка ШР в этой схеме не требуется.

Поскольку эта схема реакторной части СТК, очевидно, имеет два важных преимущества: во-первых, хорошее быстродействие, свойственное тиристорно-управляемым ШР и. во-вторых, возможность непосредственного подключения к ЛЭП ВН. целесообразно подробнее проанализировать ее технические характеристики. К сожалению, общие описания этой схемы СТК, данные в [13] и [14]. не позволяют выяснить ее некоторые важные особенности - прежде всего, как конструктивно обеспечивается 100%-ное IIт трансформатора. Поэтому прежде всего следует выполнить анализ происходящих в этом реакторе электромагнитных процессов, а затем осуществить расчет его конструктивных параметров и технических характеристик. Эти вопросы будут рассмотрены в следующей главе.

1.4. Выводы

1. В настоящее время для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭГ) ВН наиболее широкое распространение получили неуправляемые ШР и тиристорно-управляемые ШР в составе СТК: первые - вследствие относительно невысокой стоимости, а вторые благодаря лучшим эксплуатационным характеристикам. Применение для этой цели УШР с подмагничиванием ограничивается несколькими единичными случаями, прежде всего из-за значительной материалоемкости их конструкций и недостаточного быстродействия1.

2. Трудности, связанные с эксплуатацией неуправляемых ШР, делают все более актуальным решение проблемы компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП ВН путем применения управляемых шунтирующих реакторов. Причем, желательно, чтобы кроме хорошего быстродействия2 и низкого содержания высших гармонических в токе сетевой обмотки эти аппараты допускали непосредственное подключение на напряжение ЛЭП ВН. Этому требованию, к сожалению, не удовлетворяют тиристорно-управляемые ШР, входящие в состав известных схем СТК.

3. Управляемый тиристорами шунтирующий реактор, установленный в составе СТК на подстанции Лорентид допускает возможность непосредственного подключения к ЛЭП ВН и, вместе с тем, обладает хорошим быстродействием, которое является основным преимуществом всех тиристорно-управляемых ШР. Однако, реакторы этого типа пока не получили широкого распространения. Поэтому целесообразно, основываясь на известном общем их описании, осуществить разработку расчетной методики и выполнить расчет технических характеристик и анализ, происходящих в них электромагнитных процессов, для выявления присущих им недостатков и возможных путей их устранения.

1 В [15] быстродействие реакторов этого типа оценивается в 10 с.

2 Количественная оценка требуемого быстродействия по оценке [4] составляет 20мс.

Заключение диссертации по теме «Электрические аппараты», Сергеев, Антон Вадимович

Основные результаты, полученные в ходе исследований:

1. На основе расчета магнитного поля УШРТ выполнен анализ, происходящих в нем электромагнитных процессов. С помощью графической интерпретации результатов этого расчета получены картины распределения магнитного потока в магнитной системе УШРТ в различных рабочих режимах.

2. Рассмотрена методика расчета конструктивных параметров УШРТ на основе которой могут быть рассчитаны его основные конструктивные параметры для различных классов напряжения и мощности. Расчет выполняется с учетом оптимизации, критерием которой выбрана стоимость активных материалов.

3. Произведено исследование динамических характеристик УШРТ как в однофазном, так и в трехфазном вариантах. Полученные результаты позволяют оценить быстродействие реактора, а также процентное содержание высших гармонических в токе его сетевой обмотки.

4. Выполнен анализ возможности использования для подавления высших гармонических фильтров, при их подключении на стороне низкого напряжения УШРТ. Показано, что эффективность фильтров с точки зрения ограничения высших гармоник будет наилучшей при включении их в цепь специальной компенсационной обмотки, электрически не связанной с СО и ОУ. Эта обмотка должна располагаться между сетевой обмоткой и обмоткой управления. Применение фильтров позволяет значительно сократить число тиристорных блоков, входящих в систему управления УШРТ и имеющих значительную стоимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе доказана возможность создания нового типа электрических аппаратов для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН. Этими аппаратами являются управляемые шунтирующие реакторы трансформаторного типа, которые превосходят по своим техническим характеристикам разработанные ранее конструкции электрических аппаратов, предназначенных для этой цели. Отличительными особенностями УШРТ являются: высокое быстродействие, широкий диапазон регулирования потребляемой реактивной мощности, практическая синусоидальность тока сетевой обмотки, возможность прямого подключения к ЛЭП СВН. В процессе работы были выполнены испытания физической модели УШРТ и получено экспериментальное подтверждение расчетных данных о быстродействии и содержании высших гармоник в токе сетевой обмотки УШРТ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергеев, Антон Вадимович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров Г.Н. Электропередачи переменного тока на основе компактных линий повышенной пропускной способности и ЫШР // Электричество, 1994. №б .

2. Александров Г.Н. К методике расчета управляемых шунтирующих реакторов

трансформаторного типа//Электричество. 1998. JV°4.

3. Г.Н. Александров Передача электрической энергии переменным током. - Л.: Энергоатом издат, 1998.

4. Александров Г.Н., Кашина В.А. Сравнение технико-экономических показателей неуправляемых и управляемых шунтирующих реакторов. Электротехника, 1997, №1.

5. Александров Г.Н. , Альбертинский Б.И. , Шкуропат И..А. Принципы работы управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа // Электротехника. 1995. JV°11.

6. Бики М. А., Бродовой E.H., Брянцев А.М., Лейтес Л.В., Лурье А.И., Чижевский Ю.Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах // Электричество, 1994. №б .

7. Васильев A.C., Дзлиев C.B. Методы машинного проектирования преобразователей электрической энергии для электротехнологий. - СПб: Энергоатомиздат, 1993.

8. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. Л., «Энергия», 1970.

9. ГОСТ 13109 - 87 Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения.

10. Лейтес Л.В., Пинцов A.M. Схемы замещения многообмоточных трансформаторов. М.: Энергия, 1974.

11. Новые средства передачи электроэнергии в энергосистемах /Г.Н. Александров, Г.А .Евдокунин, Т.В. Лисочкина и др. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1987.

12. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем. М:. Наука, 1979.

13. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности / Под ред. P.M. Матура: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

14. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах / Под. ред. И.И. Карташева. М.: Энергоатомиздат, 1990.

15. Управляемые шунтирующие реакторы (спец. выпуск) // Электротехника, 1991, N=2.

18. ШупТ. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство : Пер. с англ.-М.: Мир,1982.

17. Электрические аппараты высокого напряжения / Под ред. Г.Н. Александрова. - Л.: Энергоатомиздат, 1989.

18. Электротехнический справочник . Т.2. / Под общей редакцией профессоров МЭИ ( гл. ред. И.Н. Орлов) - М.: Энергоатомиздат, 1986.

19. Fisher F.J. , Friedlander Е. D.C. controlled 100 MVA reactor. G.E.C. journal, v.22, 1955, N°2.

20. K. Karsai, A. Kerenyi, L. Kiss Large power transformers, 1987.

21. Kramer W. Drehstromtransformaior mit regelbarem magnetisierungstrom.-ETZ-A, 1959, Bd 80, H. 14.