Управляемые шунтирующие реакторы ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Page 1

Page 2

оборудование

Управляемые
шунтирующие реакторы
ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

УДК 621.316.9

Ивакин

к.т.н., заместитель

директора по науке

и инновационным

программам ОАО

«ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Ковалев

д.т.н., директор по

науке и инновационным

программам ОАО

«ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Магницкий

начальник отдела

ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Приведены

характеристики

управляемых

шунтирующих

реакторов

(

УШР

раз

работанных

изготовленных

на

ОАО

ЭЛЕКТРОЗАВОД

».

Приведено

описание

особенностей

конструкций

показаны

получаемые

преимущества

Приведены

результаты

испытаний

Рассмотрены

варианты

применения

УШР

при

создании

источников

реактивной

мощности

(

ИРМ

Ключевые

слова

управляемые

шунтирующие

реакторы, технические

характеристики,

преимущества,

испытания, источники

реактивной мощности

правляемые шунтирующие реакторы (УШР) применяются на под-

станциях (ПС) и линиях электропередачи (ЛЭП) электрических

сетей России уже около 20 лет и доказали свою эффективность

в решении задачи компенсации реактивной мощности и регули-

рования напряжения.

Компания «ЭЛЕКТРОЗАВОД» вышла на рынок УШР в 2012 году, когда

разработал, изготовил и успешно ввел в эксплуатацию на ПС «Нелым»

управляемый шунтирующий реактор напряжением 500 кВ мощностью

180 МВА типа УНШРТД 180000/500, имеющий однофазное исполнение

(3хРОУД 60000/500).

В 2017–2018 годах ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» разработал, изготовил

и поставил на подстанции «Февральская» и «Ермак» трехфазные УШР

типа УШРТД-63000/220 мощностью 63 МВА, напряжением 220 кВ, при-

чем на подстанции «Ермак» установлены два реактора, которые работа-

ют параллельно.

На рисунках 1 и 2 показаны структурные схемы УНШРТД 180000/500

и УШРТД-63000/220.

В таблице 1 приведены технические характеристики УШР.

В таблице 2 приведены характеристики устройств подмагничивания

(УП) УШР. Как следует из таблицы 2, увеличение требований по быстро-

действию приводит к необходимости увеличить максимальное напря-

жение преобразователя (напряжение форсировки), то есть мощность

УП УШР относительно мощности электромагнитной части (ЭМЧ) УШР

возрастает.

Реактор типа УШРТД-63000/220 разработан в двух типоисполнениях.

Конструктивно эти типоисполнения идентичны, отличие только в величи-

нах номинального тока и напряжения электромагнитной части УШР, бы-

стродействии реактора и мощности устройства подмагничивания.

Конструкции всех реакторов построены по единым принципам:

– бронестержневой реактор, ферромагнитный стержень которого

содержит немагнитные зазоры;

– стержень радиальной конструкции имеет переменное сечение

с немагнитными зазорами и равномерным распределением участков

меньшего сечения по длине стержня;

– обмотка подмагничивания совмещена с сетевой обмоткой, то есть

отдельная обмотка управления (подмагничивания) отсутствует.

Благодаря применению стержня переменного сечения и специальной

вебер-амперной характеристике обеспечивается среднеквадратическое

значение всех высших гармоник не более 2,3%.

Конструкция магнитной системы фазы реактора УНШРТД 180000/500

показана на рисунке 3, а конструкция магнитной системы трехфазного

реактора УШРТД-63000/220 на рисунке 4.

Электромагнитная часть (ЭМЧ) УШРТД-63000/220 представляет со-

бой трехфазное устройство и содержит в одном баке два идентичных

модуля. Модуль представляет собой магнитопровод с боковыми ярмами

Page 3

и тремя (по числу фаз) стержнями (на

каждый модуль). На стержнях распо-

ложены сетевая и компенсационная

обмотки. Сетевая обмотка (СО) каж-

дой фазы УШР выполнена из двух

обмоток, каждая из которых располо-

жена на соответствующем ей стержне

магнитопровода. Компенсационные

обмотки (КО) выполнены в виде двух

обмоток на стержнях и соединяются

последовательно в пределах одной

фазы, а в трехфазной схеме — в тре-

угольник для компенсации гармоник

тока реактора, кратных трем.

Нейтральные выводы сетевых об-

моток трех фаз реакторов соединяют-

ся по три, образуя схему соединения

сетевых обмоток трех фаз «двойная

звезда с расщепленной нейтралью».

Нейтральные выводы сетевых обмо-

ток УШР заземлены через резисторы.

Линейные вводы УШР присоединя-

ются к соответствующим фазам шин

подстанции или ЛЭП с помощью вы-

соковольтных выключателей.

Между нейтральными выводами

трехфазного управляемого реактора

включается устройство подмагничи-

вания (УП УШР), включающее два

трехфазных управляемых тиристор-

ных преобразователя: ТП1 и ТП2 —

основной и резервный, с системами

управления, защиты, автоматики,

охлаждения, защитной и коммутаци-

онной аппаратурой. Тиристорные пре-

образователи ТП1 и ТП2 за счет регу-

лирования постоянного тока в контуре

подмагничивания стержней магнито-

провода УШР обеспечивают измене-

ние эквивалентного сопротивления

сетевой обмотки реактора и, соответ-

ственно, мощности реактора.

Направления намотки обмоток

и схема соединения обмоток в ней-

трали таковы, чтобы создать направ-

ления потоков в стержнях одного

магнитопровода так, как показано

на рисунке 4 стрелками (сплошными

стрелками показано направление по-

стоянных составляющих магнитных

потоков в стержнях одного модуля,

а пунктирными — другого). Это по-

зволило минимизировать постоянные

составляющие магнитных потоков

в ярмах магнитопровода.

Тиристорные

преобразователи

ТП1 и ТП2 имеют шкафное испол-

нение, что позволило разместить их

в одном блок-контейнере БК1.

Как показано на рисунке 2, пита-

ние тиристорного преобразователя

ТП1 осуществляется от компенсаци-

онной обмотки (КО) УШР через вы-

Рис

. 1.

Структур

ная

схема

УНШРТД

180000/500

Рис

. 2.

Структурная

схема

УШРТД

63000/220

Рис

. 3.

Магнитная

система

фазы

реактора

УНШРТД

180000/500

№

4 (55) 2019

Page 4

Табл. 1. Технические характеристики УШР

Наименование параметров

УШРТД-63000/220

УНШРТД-180000/500

(3 х РОУД-60000/500)

Объект

ПС «Фев-

ральская»

ПС

«Ермак»

ПС «Нелым»

Номинальная мощность, кВА

63 000

180 000

Номинальное напряжение, кВ

220

242

525

Наибольшее рабочее напряжение, кВ

252

550

Класс напряжения нейтрали, кВ

Номинальный ток сетевой обмотки, А

165

150

198

Номинальная частота, Гц

Номинальное напряжение компенсационной обмотки, кВ

Номинальный ток компенсационной обмотки, А

474

665

Полные потери в режиме номинальной нагрузки, кВт

350

400

675

Потери холостого хода при номинальном напряжении, кВт

150

Ток холостого хода, % от номинального тока, не более

Время изменения мощности от 5 до 100% или обратно, не более, с

0,2

0,3

Допустимая перегрузка по мощности (не более 30 мин), % от номиналь-

ной мощности (при наибольшем рабочем напряжении сети)

Допустимая перегрузка по току (не более 30 мин), % от номинального тока

Действующее значение высших гармоник, % от номинального тока

2,2

2,3

2,0

Особенности конструкции

Стержень переменного сечения с зазорами

Масса, полная, т

175

146 (на фазу)

Табл. 2. Сравнение характеристик УП УШР

Наименование параметров

УШРТД-63000/220

УНШРТД-180000/500

(3 х РОУД-60000/500)

Объект

ПС «Фев-

ральская»

ПС

«Ермак»

ПС «Нелым»

Номинальная мощность ТМП, кВА

1000

4000

5500

Номинальный выпрямленный ток преобразователя, А

250

300

Наибольшее выпрямленное напряжение, кВ

1,8

Класс изоляции преобразователя относительно земли, кВ

Время изменения мощности от 5 до 100% или обратно, не более, с

0,2

0,3

Мощность ТМП, в % от мощности ЭМЧ

1,6

6,4

3,1

Допустимая перегрузка по току (не более 30 мин), %

Резервирование:

Основной преобразователь (питание от КО);

Резервный преобразователь (питание от системы СН)

Да

Без резервирования.

1 (основной) преобразова-

тель с возможностью питания

от КО и внешней системы СН

Особенности конструкции

Оборудование размещено в контейнерах

Охлаждение преобразователей

Жидкостное

Рис

. 4.

Магнитная

система

УШРТД

63000/220:

)

вид

спереди

;

)

вид

сверху

. 1 —

стержень

; 2 —

ярмо

; 3 —

шунт

; 4 —

обмотка

ВН

(

обмотка

НН

не

показана

)

а)

б)

ОБОРУДОВАНИЕ

Page 5

ключатель QN1 ячейки КРУ 10 кВ УШР и согласующий

трансформатор TN1. Питание тиристорного преоб-

разователя ТП2 осуществляется от сети собственных

нужд ПС через выключатель QN2 ячейки КРУ 10 кВ

и согласующий трансформатор TN2.

Каждый из преобразователей ТП1 и ТП2 выполнен

по схеме трехфазного управляемого тиристорного мо-

ста. По стороне постоянного тока ТП1 и ТП2 соедине-

ны параллельно для работы на общую нагрузку рас-

щепленные сетевые обмотки (СО) УШР. По стороне

переменного тока преобразователи ТП1 и ТП2 соеди-

нены с вентильными обмотками (ВО) трансформато-

ров TN1 и TN2 соответственно.

Все основное оборудование УП УШР (за ис-

ключением трансформаторов питания TN1 и TN2

и коммутационной аппаратуры) размещается в блок-

контейнерах (БК1, БК2). Большая часть оборудования

располагается в БК1, оснащенном системами обогре-

ва и вентиляции, обеспечивающими поддержание

температуры внутри контейнера в пределах 5–40°C.

Заградительные реакторы и емкости располагаются

в блок-контейнере БК2, не имеющем обогрева и вен-

тиляции. Охлаждение тиристорных преобразовате-

лей — жидкостное с вынесенным теплообменником

«жидкость-воздух».

Конденсаторная батарея БК совместно с высоко-

энергоемким ограничителем перенапряжений (ОПН),

включенным между шинами постоянного тока преоб-

разователей, обеспечивает защиту преобразователей

от перенапряжений. Заземляющие резисторы R1 и R2

на выводах расщепленной нейтрали УШР обеспечи-

вают привязку потенциала цепей ТП к земле.

Основной режим работы УШР предусматривает

подмагничивание магнитопровода от тиристорного

преобразователя ТП1 с питанием последнего от КО

УШР через выключатель QN1 ячейки КРУ 10 кВ УШР

и согласующий трансформатор TN1. Режим работы

УШР с питанием тиристорного преобразователя ТП2

от сети собственных нужд

подстанции через выклю-

чатель QN2 ячейки КРУ

СН 10 кВ и согласующий

трансформатор TN2 яв-

ляется вспомогательным.

Этот режим обеспечивает

работоспособность УШР

при выходе из строя пре-

образователя ТП1 или при

его плановом обслужива-

нии. Однако при этом не-

обходимо учитывать, что

тиристорный преобразо-

ватель в процессе работы

генерирует высшие гармо-

ники в питающую сеть соб-

ственных нужд, кроме ак-

тивной мощности, идущей

непосредственно на под-

магничивание, ТП потре-

бляет также и реактивную

мощность, которая при ре-

гулировании выпрямлен-

ного тока преобразователя

изменяется в широких пределах. Все это приводит

к снижению качества напряжения на шинах КРУ СН

10 кВ, к которым подключается ТП, что может оказы-

вать неблагоприятное воздействие на работу смеж-

ных нагрузок, питаемых от тех же шин. Эта проблема

снимается при питании как основного, так и резерв-

ного преобразователей от компенсационной обмотки

реактора, что может быть обеспечено включением

в схему выключателя QN3 (показан пунктиром на ри-

сунке 2).

Все разработанные УШР оснащены цифровыми

системами управления, обеспечивающими ручное

и автоматическое регулирование. Система управле-

ния построена на базе процессорного модуля (ПМ),

использующего процессор цифровой обработки сиг-

налов (DSP) и набор программируемых логических

интегральных схем (ПЛИС).

Управление преобразователем может осущест-

вляться как с местной панели управления, располо-

женной в контейнере, так и дистанционно, с пульта

управления дежурного оператора подстанции через

дистанционный канал управления по оптоволокон-

ному кабелю. Интерфейс управления реализован

в виде специальной программы АРМ, которая получа-

ет необходимые данные от устройств УП УШР, обра-

батывает их и выводит в виде графической информа-

ции на экран оператору. Вид главного окна программы

АРМ — закладка УП УШР показана на рисунке 5.

Система управления УП обеспечивает следующие

режимы работы УШР:

• автоматическое управление по реактивной мощ-

ности УШР;

• автоматическое управление по фазному току УШР;

• автоматическое управление по напряжению на

шинах подключения УШР;

• управление по обобщенному сигналу внешних за-

щит (форсировка/расфорсировка УШР при ава-

рийных отключениях выключателей ЛЭП);

Рис

. 5.

Вид

главного

окна

программы

АРМ

—

закладка

УП

УШР

№

4 (55) 2019

Page 6

• режим директивного управления по уставкам, по-

лучаемым от АСУ ТП подстанции;

• ручной режим управления по току подмагничива-

ния УШР (току УП).

Система управления УШРТД дополнительно

обеспечивает автоматическое переключение с ре-

зервного преобразователя (ТП2) на основной (ТП1)

после подключения УШР к сети 220 кВ, если УП ра-

ботал в режиме предварительного подмагничивания.

Выбор режима работы преобразователей — си-

туационный и производится по сигналам системы

управления УП автоматически. Включение в работу

и отключение преобразователей осуществляется че-

рез систему импульсного управления.

Кроме того, система управления реализует функ-

ции защиты и выявления неисправностей в работе

оборудования преобразователя, обладает развитой

системой осциллографирования, воспроизведения

и дистанционной передачи информации в нормаль-

ных и аварийных режимах работы УШР.

УШР УШРТД-63000/220 успешно выдержал прие-

мо-сдаточные заводские испытания, комплексные се-

тевые испытания на ПС 220 кВ «Февральская» МЭС

Востока и комплексные сетевые испытания на ПС

220 кВ «Ермак» МЭС Западной Сибири. При проведе-

нии сетевых испытаний на ПС 220 кВ «Ермак» были

выполнены работы по настройке систем управления

УП УШР, обеспечивающие устойчивую параллельную

работу двух УШР во всех заданных режимах работы.

Внешний вид УШР типа УШРТД-63000/220 пока-

зан на рисунке 6.

На рисунке 7 показана зависимость тока ре-

актора от тока подмагничивания (регулировочная

характеристика) из которой видно, что она имеет

практически линейную зависимость, отклонение ха-

рактеристики от расчетной для режима номинально-

го тока УШР — не более 5%.

На рисунке 8 представлена измеренная зависи-

мость гармонического состава фазного тока УШР ПС

«Февральская» в % номинального тока реактора от

загрузки реактора по току (%).

В фазном токе УШР преобладают 5-я и 7-я гармо-

ники. Во всем рабочем диапазоне токов реактора от

холостого хода до режимов, близких номинальному,

действующее значение любой гармоники и всех выс-

ших гармоник не превышает 2,3% при допустимом

значении 3%.

В 2018 году шкаф системы управления УШР

успешно прошел испытания на электромагнитную

совместимость (ЭМС) и испытания на электрическую

прочность изоляции в соответствии с требованиями

ПАО «ФСК ЕЭС».

В последние годы наблюдается интерес к ИРМ на

базе УШР. Возможны два варианта схем ИРМ (рису-

нок 9): КБ (или несколько КБ в составе фильтро-ком-

пенсирующего устройства — ФКУ) включается па-

раллельно УШР на шины ВН; КБ (или несколько КБ

в составе ФКУ) включается на шины НН (шины КО)

УШР. Требования к характеристикам КБ и УШР в со-

ставе ИРМ для этих двух вариантов различаются,

так как изменяются регулировочные характеристики

этих вариантов ИРМ (рисунок 10).

Рис

. 6.

УШР

типа

УШРТД

-63000/220

на

ПС

Февральская

Рис

. 7.

Регулировочная

характеристика

УШР

220

кВ

ПС

Февральская

»: 1 —

расчетная

(

при

постоянном

номинальном

напряжении

220

кВ

); 2 —

измеренная

(

на

пряжение

изменялось

от

243,4

кВ

режиме

ХХ

реактора

до

205,6

кВ

при

нагрузке

Ток подмагничивания (преобразователя), А

175

150

125

100

150

200

250

Ток реакт

ора фа

зный, А

Рис

. 8.

Зависимость

гармонического

состава

фазного

тока

УШР

ПС

Февральская

от

номинального

тока

реактора

от

загрузки

реактора

по

току

(%): 1 — 5-

гармоника

; 2 — 7-

гармоника

; 3 —

сумма

всех

высших

гармоник

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

100

, %

гарм

, %

Включение на шины НН ФКУ в виде фильтра 5-й

гармоники позволяет уменьшить общий уровень выс-

ших гармоник в токе сетевой обмотки УШР во всем ди-

апазоне регулирования до 1% от номинального тока

и практически исключить вероятность резонансных

явлений в системе из-за установки ИРМ, что является

основным преимуществом варианта с включением КБ

ОБОРУДОВАНИЕ

Page 7

Рис

. 10.

Характеристики

ИРМ

)

КБ

на

стороне

НН

(

КО

);

)

КБ

на

стороне

ВН

на шины НН. Основным преиму-

ществом варианта с включением

КБ на шины ВН является то, что

для создания ИРМ можно исполь-

зовать уже разработанные и вы-

пускаемые УШР без какого-либо

изменения параметров элемен-

тов конструкции электромагнит-

ной части. В таблице 3 приведен

перечень основных преимуществ

и недостатков вариантов созда-

ния ИРМ на базе УШР.

ВЫВОДЫ

Разработанные и выпускаемые

ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» управля-

емые шунтирующие реакторы ха-

рактеризуются следующими осо-

бенностями и преимуществами:

1. УШР созданы на базе конструк-

ции шунтирующего реактора

с радиальными стержнями,

жесткими немагнитными зазо-

рами и магнитным экраниро-

ванием потоков рассеяния, что

обеспечивает снижение допол-

нительных потерь, нагревов,

вибраций и шума.

2. УШР выполнены по схеме с со-

вмещением обмоток сетевой

и управления, что определяет

значительное снижение потерь

в реакторе.

3. Применение стержня с участ-

ками различного сечения, не-

магнитными зазорами, распре-

деленными по длине стержня,

и полученная вебер-амперная

характеристика обеспечивают

снижение высших гармоник

тока реактора.

4. На основе разработанных УШР

могут быть разработаны и вы-

пускаться ИРМ различной мо-

дификации.

Рис

. 9.

Варианты

схем

ИРМ

на

базе

УШР

)

КБ

на

стороне

НН

(

КО

);

)

КБ

на

стороне

ВН

ИРМ

УШР

ФКУ

Тр

а)

б)

ИРМ

140

120

100

–10

–20

–30

–40

60
50
40
30
20
10

–10
–20
–30

100

150

, А

, Мвар

ИРМ

(

)

УШР

(

)

КБ

ИРМ

УШР

КБ

По

тре

бление

По

тре

бление

Выда

ча

Выда

ча

Табл. 3. Основные преимущества и недостатки

вариантов создания ИРМ на базе УШР

Место под-

ключения

ФКУ

КО УШР

Шины ВН

Достоинства

1. Низкий уровень высших гар-

моник, генерируемых в сеть ВН.

2. Исключение резонансных

явлений в системе КБ-сеть ВН

Возможность использования

в качестве ЭМЧ ИРМ уже

разрабатываемые и выпуска-

емые УШР

Недостатки

Необходимость разработки

новой ЭМЧ

Возможность возникновения

резонансных явлений в сис-

теме КБ-сеть

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковалев В.Д., Мастрюков Л.А.,

Ивакин В.Н. Управляемый шун-

тирующий реактор напряжением

500 кВ типа УНШРТД180000/500 // ЭЛЕКТРО. Элек-

тротехника, электроэнергетика, электротехническая

промышленность. 2013, № 5. С. 40–45.

2. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. О тре-

бованиях к управляемым шунтирующим реакторам

и особенностях режимов их работы. // ЭЛЕКТРО.

Электротехника, электроэнергетика, электротехниче-

ская промышленность. 2017, № 2. С. 10–15.

3. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А., Смирнов

А.С., Мастрюков Л.А. Трехфазный управляемый шун-

тирующий реактор напряжением 220 кВ мощностью

63 МВА // Вести в электроэнергетике, 2018, № 4(96).

REFERENCES

1. Kovalev

V.D.,

Mastryukov

L.A.,

Ivakin

V.N.

UNSHRTD180000/500 500 kV controlled shunt reactor.

ELEKTRO

[ELECTRO], 2013, no. 5, pp. 40–45. (in Russian)

2. Ivakin V.N., Kovalev V.D., Magnitskiy A.A. On the requirements

for controlled shunt reactors and the features of their operation

modes.

ELEKTRO

[ELECTRO], 2017, no. 2, pp. 10–15. (in

Russian)

3. Ivakin V.N., Kovalev V.D., Magnitskiy A.A., Smirnov A.S.,

Mastryukov L.A. 63 MVA, 220 kV three-phase controlled shunt

reactor.

Vesti v elektroenergetike

[ELECTRIC POWER’S

NEWS], 2018, no. 4(96). (in Russian)

№

4 (55) 2019

Оригинал статьи: Управляемые шунтирующие реакторы ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Ключевые слова: управляемые шунтирующие реакторы, технические характеристики, преимущества, испытания, источники реактивной мощности

Читать онлайн

Приведены характеристики управляемых шунтирующих реакторов (УШР), разработанных и изготовленных на ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД». Приведено описание особенностей конструкций и показаны получаемые преимущества. Приведены результаты испытаний. Рассмотрены варианты применения УШР при создании источников реактивной мощности (ИРМ).