Фото 1 – УШР на базе РТУ-100000/220 на ПС Хабаровск, Российская Федерация

С начала промышленного производства и по настоящее время управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы (далее — УШРп) пользуются устойчивым спросом с постоянно расширяющимся рынком сбыта [1]. В электрических сетях РФ и других стран эксплуатируется более сотни УШРп мощностью от 10 до 180 Мвар, напряжением от 10 до 500 кВ. Установленная мощность УШРп всех типов составляет около 9 Гвар (таблица 1), в том числе источников реактивной мощности (далее — ИРМ) на базе УШРп и батарей конденсаторов. Наибольшее применение УШРп находят в электрических сетях Сибирского и Дальневосточного регионов РФ. Сегодня УШРп изготовляют заводы: «Запорожтрансформатор» (Украина), фото 1, ETD TRANSFORMATORY (Чехия), фото 2, и «ЭЛЕКТРОЗАВОД» (Россия). Как по конструкции, так и по электрической схеме УШРп имеют существенные различия. УШРп производства Запорожского трансформаторного завода имеют три конструктивных модификации УШР напряжением 35-500 кВ [2, 3, 4].  Завод ETD TRANSFORMATORY производит УШРп напряжением 6-35 кВ с совмещённой обмоткой переменно-постоянного тока [5, 6]. В конструкции и схеме УШРп 180 Мвар 500 кВ производства «ЭЛЕКТРОЗАВОД» использованы технические решения, отличающиеся от конструкций реакторов «Запорожтрансформатор» и ETD TRANSFORMATORY [7, 8, 9].

Фото 2 — УШР на базе РТУ-10000/10 на ПС Кумколь, Республика Казахстан

Кроме УШРп последние годы активно осваивается производство и применение шунтирующих реакторов, управляемых тиристорами (далее — УШРт). Опыт эксплуатации УШР обоих типов показал, что в определенных случаях их нелинейные параметры могут негативно сказываться на качестве напряжения в точке их подключения и прилегающей сети.

Таблица 1. Производство УШРп и ИРМ на их базе с 1998 г.

Влияние нелинейности управляемых шунтирующих реакторов на качество напряжения сети

В силу нелинейности регулировочных характеристик изменение потребляемой мощности управляемых шунтирующих реакторов сопровождается искажениями форм тока и напряжения обмоток. Такие искажения негативно сказываются на качестве напряжения электрической сети. В качестве примера, характерного для сети 220 кВ с использованием УШР мощностью 30 Мвар, проанализированы графики изменения тока и напряжений обмоток управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора [10]. УШРп подключён к центру питания через электрическую сеть с мощностью короткого замыкания (КЗ), равной 10-кратной номинальной мощности реактора, что характерно для большинства подстанций Сибири и Дальнего Востока, где установлены УШРп (рисунок 1). Расчетная модель УШРп соответствует варианту исполнения, описанному в патенте РФ № 2447529 [10].

Рисунок 1 — Принципиальная однолинейная схема подключения УШРп к центру питания через линию электропередачи

Несмотря на то что напряжение центра питания строго синусоидально, а искажения формы тока относительно невелики (примерно на половине диапазона регулирования мощности УШРп незначительно превышают требования отраслевого стандарта ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.03.198-2015), искажения напряжений как компенсационной, так и сетевой обмоток превышают требования ГОСТ 32144-2013 во всем диапазоне регулирования (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 — Моделирование искажений формы напряжений и тока в диапазоне регулирования мощности УШРп

Рисунок 3 — Коэффициенты искажения форм тока и напряжения в УШРп

Та же качественная картина имеет место и при подключении к электрической сети шунтирующего реактора, управляемого тиристорами, с расщеплёнными вентильными обмотками (рисунок 4). Расчетная модель УШРт соответствует варианту исполнения, описанному в патенте РФ № 2518149 [11]. Различие заключается в том, что, несмотря на относительно небольшие по условиям стандарта организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.03.198-2015 искажения тока, нарушения формы синусоидальности напряжения вентильных обмоток и сетевой обмотки при установке УШРт имеют место в большей части диапазона регулирования и носят более выраженный характер, чем при установке УШРп (рисунки 5, 6).

Рисунок 4 — Принципиальная однолинейная схема подключения УШРт к центру питания через линию электропередачи

Рисунок 5 — Моделирование искажений форм напряжений и тока во всем диапазоне регулирования мощности УШРт

Рисунок 6 — Коэффициенты искажений тока и напряжения в УШРт

В рассмотренных выше случаях нарушения качества напряжения электрической сети обусловлены искажениями, возникающими в обмотках низкого напряжения (обмотках НН) управляемых шунтирующих реакторов обоих типов. Вследствие трансформаторной связи искажения формы напряжения обмоток транслируются непосредственно в электрическую сеть. В УШРп в электрическую сеть передаются и резонансно усиливаются искажения, возникающие в напряжении компенсационной обмотки, а в УШРт искажения напряжения в электрической сети вызываются искажениями напряжения вентильных обмоток, и также передаются и резонансно усиливаются в прилегающей электрической сети.

Таким образом, из приведенных выше примеров расчетов, касающихся частных случаев, следует весьма важное принципиальное обобщение, заключающееся в том, что в УШР обоих типов недостаточно устранить нелинейные искажения в их сетевых токах, необходимо обеспечить исключение нелинейных искажений и в напряжении обмоток: вентильных – в УШРт, компенсационных – в УШРп.

В УШРп [10] данная проблема решается заменой компенсационной обмотки на трансформаторную обмотку НН с подключением к ней широкополосного фильтра высших гармоник (далее — ФВГ) (рисунок 7).

Рисунок 7 — Схема УШРп с подключённым к обмотке низкого напряжения фильтром высших гармоник

В УШРт для достижения того же эффекта использования только одного фильтра оказывается недостаточным. Дополнительно требуется изменить схему и конструкцию обмоток трансформатора, а также подключить последовательно с вентильными ключами токоограничивающие реакторы (например, как это показано на рисунке 8). Следует подчеркнуть, что вариант исполнения УШРт по рисунку 8 имеет принципиально иное техническое решение в сравнении с вариантом УШРт по патенту РФ № 2518149 [11].

Рисунок 8 — Схема УШРТ с подключённым к обмотке НН фильтром высших гармоник и токоограничивающим реактором, включённым последовательно с тиристорным ключом

В результате изменения схем и комплектующих УШРп (рисунок 7) и УШРт (рисунок 8) форма тока и напряжения обмоток становится практически синусоидальной во всем диапазоне регулирования мощности (рисунки 9, 10). Идентичность регулировочных характеристик двух различных по схеме и принципу действия вариантов УШР объясняется тем, что при соблюдении определенных соотношений параметров УШРп по рисунку 7 и УШРт по рисунку 8 эти варианты могут проявлять свойство дуальности. Критерии подобия, при которых достигается идентичность регулировочных характеристик, описаны в публикациях [12, 13].

Рисунок 9 — Моделирование формы напряжения и тока в диапазоне регулирования мощности при изменении схемы и включении ФВГ в состав комплектующих УШРт и УШРп

Рисунок 10 — Коэффициенты искажений тока и напряжения при изменении схемы и включении ФВГ в состав комплектующих УШРт и УШРп

Основные параметры УШР модифицированной серии

Модифицированная серия управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (далее — УШРм) в отличие от прототипов имеет единые конструкцию, электрическую схему и состав оборудования в всем диапазоне мощностей 4-330 Мвар и классов напряжения 6-750 кВ (рисунок 11). В тоже время при разработке УШРм сохранены следующие основные функции УШРп:

• высокоточная автоматическая стабилизация напряжения в точке подключения с отклонением от установленного значения не более 0,3 % [6];
• безынерционный, менее, чем за 0,02 с, выход на номинальную мощность при подключении к сети [2];
• параметрический наброс/сброс мощности при аварийных возмущениях напряжения сети [14];
• переход из любого текущего режима в режим фиксированного значения потребляемой мощности на время паузы ОАПВ [15].

Принципиальным отличием УШРм является использование широкополосного фильтра высших гармоник, позволяющего улучшить форму тока и напряжения обмоток (рисунок 11) [16]. В любом из УШРм в пределах рабочего диапазона регулирования мощности коэффициент искажений формы тока не превышает 1,5-2% от номинального значения, а синусоидальность напряжения обмоток соответствует требованиям ГОСТ 32144-2013.

Рисунок 11 — Принципиальная однолинейная схема УШРм, содержащая обмотки высокого (ВН) и низкого напряжения (НН), регулировочную обмотку (РО) с подключёнными к обмотке НН с широкополосным фильтром высших гармоник (ФШ), ёмкостной нагрузкой С и сетью общего назначения R

В модифицированной серии УШРм полностью устранено негативное влияние параметров нелинейности на качество напряжения в точке подключения. Также в отличие от прототипов конструкция УШРм содержит полноценную вторичную обмотку трансформаторного типа, а обмотка управления (регулировочная обмотка) выполняется с глухо заземлённой средней точкой (рисунок 11) [17]. При разработке УШРм использовано не менее десятка патентов и полезных моделей РФ и других стран.

Применение в конструкции УШРм новых элементов с определенными взаимными соотношениями и изменение критериев оптимизации параметров комплектующего оборудования позволило расширить функциональные возможности в части:

• длительности перегрузки (превышение номинального значения мощности) в 1,4 раза с сохранением синусоидальности формы тока и напряжения вторичной обмотки в диапазоне регулирования мощности [18];
• плавного регулирования мощности от номинального потребления (индуктивный режим) до номинальной выдачи (ёмкостной режим) за счёт подключения к вторичной обмотке ёмкостной нагрузки за время, не превышающее 0,2-0,3 с [19];
• отбора мощности от вторичной обмотки в электрическую сеть общего назначения, вплоть до номинального значения мощности первичной обмотки [1].

Таким образом, технические характеристики УШРм соответствуют требованиям стандарта ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.03.198-2015 на управляемые шунтирующие реакторы.

Перспектива применения источников реактивной мощности на базе УШРм для симметрирования режимов электрической сети

Техническими решениями модифицированной серии УШРм предусмотрена возможность независимого управления мощностью фаз во всем диапазоне регулирования [17]. В итоге возникает перспектива применения источников реактивной мощности на базе УШРм в электрической сети с несимметричной нелинейной нагрузкой, например, в схемах электроснабжения электрифицированной железной дороги.

В качестве примера на рисунке 12 показан один из возможных вариантов подключения источников реактивной мощности с независимым регулированием мощности фаз (далее — ОИРМ) к обмоткам трехфазного трансформатора с нелинейной двухфазной нагрузкой по схеме Штайнмеца [20]. Фрагменты результатов расчёта напряжений и токов в обмотке НН трансформатора и двухфазной нелинейной нагрузки Н1, Н2 при наличии и отсутствии ОИРМ показаны на рисунке 13. Как видно из результатов расчёта, подключение ОИРМ к обмотке НН (далее — 3хОИРМНН) трансформатора обеспечивает симметрию и ликвидацию нелинейных искажений его фазных напряжений и токов (рисунок 13). Причём, несмотря на то что форма токов нагрузок Н1, Н2, (рисунок 14) и токов фаз 3хОИРМНН (рисунок 15) имеет явно выраженные искажения, это никак не сказывается на синусоидальности напряжений и токов обмоток НН. Если же 3хОИРМНН отключается, нагрузки Н1, Н2 вызывают несимметрию и искажения напряжений и токов в обмотке НН трансформатора (см. рисунок 13).

Источник реактивной мощности ОИРМ, подключённый параллельно обмотке ВН трансформатора, (3хОИРМВН) выполняет те же функции снижения несимметрии и нелинейных искажений, вызываемых подключенной нелинейной двухфазной нагрузкой, но уже по отношению к внешней сети.

Рисунок 12 – Принципиальная схема подключения ОИРМ к трехфазной электрической сети, питающей нелинейную двухфазную нагрузку

В заключение следует отметить важное обстоятельство, что наряду с известными положительными эффектами применение ОИРМ позволяет также минимизировать переток реактивной мощности из внешней сети в нелинейную двухфазную нагрузку (рисунок 13), благодаря чему повышается возможность использования трансформатора для передачи активной мощности из трехфазной сети. Применительно к схемам электроснабжения электрифицированной железной дороги с учетом существующих параметрах внешней сети и подстанций, характерных для Байкало-Амурской магистрали, повышение пропускной способности тяговых трансформаторов может достигать 15-20 %.

Рисунок 13 — Токи и напряжения в обмотке НН трансформатора

Рисунок 14 — Токи в нелинейной двухфазной нагрузке Н1, Н2

Рисунок 15 — Токи фаз 3хОИРМНН

Оценка экономической эффективности применения УШРм и ИРМ на их основе

Предварительное участие в торгах на закупку УШР напряжением 110, 220 и 500 кВ показало высокую конкурентоспособность УШРм по сравнению с аналогами в части функциональных возможностей, потерь и стоимости оборудования. Как устройство, обладающее функцией статического компенсатора реактивной мощности электромагнитного типа, или как устройство, обладающее функцией симметрирующего трансформатора с независимым регулированием мощности фаз, модифицированная серия управляемых шунтирующих реакторов прямых аналогов не имеет.

Выводы

• Существующие типы УШР могут вызывать появление высших гармоник напряжения, уровень которых значительно превышает требования ГОСТ 32144-2013 как в точке подключения, так и в прилегающей сети.
• Предложенные авторами схемы и конструкции позволяют устранить недостатки, присущие обоим типам УШР.
• Источники реактивной мощности с независимым регулированием фаз обеспечивают нормативное качество электроэнергии трехфазной сети, питающей нелинейную несимметричную нагрузку.

Литература

1. Опыт применения управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов в сетях различных классов напряжения / Б.И. Базылев [и др.] // ЭЛЕКТРО – 2016. – № 3 – с. 28-33.
2. Результаты эксплуатации управляемого подмагничиванием трехфазного шунтирующего реактора / А.М. Брянцев [и др.] // Электрические станции – 2001. – № 12 – с. 44-50
3. Трехфазный шунтирующий управляемый реактор мощностью 100 МВ×А, 220 кВ на подстанции «Чита» МЭС Сибири / А.М. Брянцев [и др.] // Электротехника – 2003. – № 1 – с. 22-30.
4. Брянцев, А.М. Впервые в сети 500 кВ введён в эксплуатацию новый управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор мощностью 180 МВ×А / А.М. Брянцев, А.Г. Долгополов, А.И. Лурье // Электричество – 2006. – № 8 – c. 65-68.
5. Патент № 2418332 Российская Федерация. Электрический трёхфазный реактор с подмагничиванием / Брянцев А. М.
6. Источник реактивной мощности на подстанции 35 кВ Ванкорского нефтяного месторождения / Б.И. Базылев [и др.] // Электротехника. – 2012. – № 3. – с. 59-62.
7. Авторское свидетельство СССР № 1164795. Электроиндукционное устройство / Брянцев А.М. Открытия. Изобретения. 1985. № 24.
8. Брянцев, А.М. Основные уравнения и характеристики магнитно-вентильных управляемых реакторов с сильным насыщением магнитной цепи / А.М. Брянцев // Электротехника –1991. – № 2 – с. 24-28.
9. Controlled shunt reactor 500 kV 180 MVA with new design. Filed experience at NELYM substation. / L. MAKAREVICH, L. MASTRYUKOV, V. IVAKIN etc. // SIGRE – А2_206_2014.
10. Патент 2447529 Российская Федерация. Трёхфазный управляемый подмагничиванием реактор / Брянцев А.М.
11. Патент 2518149 Российская Федерация. Управляемый реактор с трёхстержневым магнитопроводом / Булыкин П.Ю., Крайнов С.B., Федосов Л.Л.
12. Патент 128039 Российская Федерация. Дуальная модель трехфазного управляемого реактора / Брянцев А. М., Макаров П. Н.
13. Брянцев, А.М. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы как элемент электроэнергетической системы /А.М. Брянцев// Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. 2-е дополненное издание. – М.: «Знак» – 2010 – с. 5-10
14. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы для сети 35-500 кВ / А.М. Брянцев [и др.] // Электротехника – 2003. – №1 – c. 5-13.
15. Патент 2341858 Российская Федерация. Способ гашения дуги однофазного замыкания на землю в паузе ОАПВ линии электропередачи с шунтирующим трехфазным реактором / А.М. Брянцев, А.Г. Долгополов.
16. Патент 2510556 Российская Федерация. Статический компенсатор реактивной мощности / А. М. Брянцев.
17. Патент 2451353 Российская Федерация. Трехфазный управляемый подмагничиванием реактор / А.М. Брянцев.
18. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов / П.М. Тихомиров // Энергоатомиздат – 1986. – с. 528.
19. Управляемые ферромагнитные устройства с предельным насыщением в системах компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения высоковольтных сетей / А.М. Брянцев [и др.] // Энергоэксперт. – 2013. – № 5 – c. 40-46.
20. Закарюкин, В.П. Анализ схем симметрирования на тяговых подстанциях железных дорог переменного тока / Закарюкин В.П., Крюков А.В., Иванова Е.С. // Системы. Методы. Технологии – 2013. – № 4(20) – с.68-73