Эксплуатация состояния управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов

Базылев Б.И. (Электротехнический завод, Раменское).

Управляемые шунтирующие реакторы относятся к классу устройств, изменение индуктивности в которых осуществляется насыщением магнитной цепи потоками подмагничивания. В функциональном отношении управляемые подмагничиванием реакторы являются мощными малоинерционными индуктивностями электронного типа с широким диапазоном регулирования потребляемого тока. Предназначены для повышения надежности эксплуатации электрических сетей, оптимизации режимов работы и снижения потерь электроэнергии в линиях электропередач.
В основе их создания положены две оригинальные идеи:

1. возбуждение и управление потоками подмагничивания путем последовательного, периодически повторяющегося замыкания части витков обмоток реактора полупроводниковыми ключами [ 1 ];
2. сильное насыщение магнитной цепи реактора в номинальном режиме, когда рабочая точка магнитного потока не менее половины периода частоты сети находится в области технического насыщения кривой намагничивания [2].

Более подробно теория работы и особенности конструктивного исполнения этих устройств опубликованы в специальном выпуске журнала “Электротехника”, 1991 г. № 2 [ 3 ]. Основные электрические схемы управляемых реакторов показаны на рис. 1., фотографии различных типов управляемых реакторов - на рис. 2.
На основе изложенных принципов в течение более чем 10-ти лет разрабатывался и изготавливался на различных электротехнических фирмах широкий ряд конструкций управляемых реакторов магнитно-вентильного типа, а именно:

1. однофазные управляемые дугогасящие реакторы для сетей с изолированной нейтралью;
2. трехфазные управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей 6□ 35 кВ промышленной и бытовой нагрузки;
3. трехфазные управляемые шунтирующие реакторы для высоковольтной распределительной сети 110-220 кВ;
4. трехфазные группы управляемых шунтирующих реакторов для транзитных и системообразующих линий передач 330- 750 кВ.

Управляемые подмагничиванием дугогасящие реакторы типа РУОМ с 1995 года производятся Раменским электротехническим заводом “Энергия”. Основные технические данные приведены в таблице 1. Установочный чертеж реактора типа РУОМ показан - на рис.3.

а) Дугогасящие реакторы                    б) Шунтирующие реакторы для 6 -35кВ электроснабжения предприятий (до 35 кВ)

в). Шунтирующие реакторы для электрических сетей 110-500кВ

Рис.2. Типы управляемых реакторов Трёхфазный управляемый реактор РТУ-25000/110 :

1 Фаза управляемого реактора РТУ-8000/500

Рис.3. Конструкция и основные размеры дугогасящих управляемых реакторов типа РУОМ

Таблица 1.
Основные технические данные серии управляемых дугогасящих реакторов типа РУОМ

Электрическая схема подключения дугогасящего реактора к сети через фильтр присоединения ФМЗО показана на рис.4. Управление параметрами реактора в нормальном режиме работы сети и в случае однофазного замыкания сети на землю осуществляется с помощью электронной системы управления САНК. В нормальном режиме работы электронная система выполняет непрерывное измерение значений емкостной проводимости сети и перестройку параметров реактора на режим компенсации емкостного тока замыкания на землю. При возникновении замыкания система управления автоматически переходит на режим поддержания тока реактора, равного ожидаемому емкостному току. В результате ток замыкания на землю сразу же ограничивается до остаточного значения не более 3-5 А, что предотвращает возникновение дуги в точке замыкания и дальнейшее развитие аварии, рис.5. После погасания дуги и восстановления нормальных напряжений фаз сети реактор сохраняет индуктивность неизменной, что исключает возникновение перенапряжений.
К настоящему времени в электрических сетях РФ и за рубежом эксплуатируются несколько десятков дугогасящих реакторов данного типа. Опыт эксплуатации показал, что они, по крайней мере, втрое уменьшают количество замыканий на землю и полностью предотвращают их переход в короткие замыкания сети. По массе, габаритам и условиям эксплуатации реакторы типа РУОМ соизмеримы с известными дугогасящими реакторами электромеханического типа и могут устанавливаться вместо устаревших реакторов аналогичного назначения без изменений в строительной части проекта. Возможна совместная эксплуатация с дугогасящими реакторами других типов [ 4 ]. Кроме уже освоенных и сертифицированных дугогасящих реакторов типа РУОМ для сетей 6-10 кВ (см. таблицу 1) на Раменском электротехническом заводе “Энергия’’ подготовлено также производство дугогасящих реакторов на класс напряжения 20 и 35 кВ мощностью до 2000 кВА. По желанию заказчика поставка реакторов заводом может осуществляться комплектом по схеме рис.З. вместе с фильтрами присоединения ФМЗО, трансформатором напряжения НАМИ, электронной системой САНК и ограничителем перенапряжений ОПН. Испытательная база завода позволяет выполнить предварительную настройку всего комплекса, что существенно упрощает наладку на месте установки и позволяет, в частности, обойтись без опыта замыкания фазы на землю при настройке на режим автоматической компенсации.

Рис.4.
в сеть

1. реактор управляемый однофазный масляный (РУОМ)
2. система автоматической настройки компенсации (САНК РУОМ)
3. фильтр присоединения управляемого реактора к сети (ФМЗО)
4. трансформатор напряжения антирезонансный масляный измерительный (НАМИ)
5. трёхфазная группа управляемых реакторов РУОМ-480/6,3 (РТУМ-1440/6,3);

Рис.6. Принципиальная однолинейная схема подключения РТУМ-1440/6,3 к
шинам ЦРП-2.

Рис.5. Выход реактора РУОМ-190/11/√3
на режим компенсации емкостного тока значением 10А с последующим исчезновением
замыкания

1. -система управления реактивным током подстанции;
2. - ограничитель перенапряжений;
3. - батареи конденсаторов мощностью 1500 кВА

Управляемые реакторы типа РУОМ пригодны также к использованию и в качестве шунтирующих управляемых реакторов для электрических сетей 6-г35 кВ промышленной и бытовой нагрузки. Назначение таких реакторов - поддержание заданного уровня реактивного тока, потребляемого нагрузкой, выравнивание графика потребления мощности и, как следствие, уменьшение колебаний напряжения на шинах подстанции, питающей нагрузку. Как правило, они устанавливаются совместно с батареями конденсаторов. Принципиальная однолинейная схема подключения управляемого реактора РТУМ-1440/6,3, скомплектованного из трех реакторов РУОМ- 480/11/V3 и установленного в 1996 г. на шинах подстанции Электросталь- ского завода тяжелого машиностроения, показана на рис.6. Подтвержденный заказчиком срок окупаемости установленного реактора составил 25 месяцев. В перспективе такие реакторные группы могут заменить тиристорно-реакторную часть в схемах статических компенсаторов реактивной мощности сетей 6-35 кВ.
Совместное производство управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для электрических сетей 110-1150 кВ организовано акционерными обществами “Запорожтрансформатор” и “Раменский электротехнический завод Энергия”, Всероссийским электротехническим институтом, научно-техническим центром ВЭИ в г. Тольятти и научновнедренческой фирмой “Электроцентр”. На рынке управляемых реакторов эта группа организаций выступает как научно-производственное объединение “Электрические управляемые реакторы”, осуществляющее производство, комплектную поставку, наладку и гарантийное обслуживание входящего в состав управляемого реактора оборудования.
Базовой моделью управляемых подмагничиванием реакторов для распределительных сетей 110-220 кВ является трехфазный управляемый реактор РТУ-25000/110. Основные технические данные головного образца РТУ-25000/110 приведены в таблице 2. Установочный чертеж - на рис.7. Головной образец, изготовленный в 1997 г., успешно прошел натурные испытания и отправлен заказчику - АО “Пермэнерго” для п/ст. “Кудымкар”. Ввод реактора в эксплуатацию обеспечивает автоматическую стабилизацию напряжения на шинах подстанции и в прилегающей сети, уменьшает потери от перетоков реактивной мощности между центром питания и подстанцией ( до 2,5 Мвт), многократно уменьшает количество оперативных переключений, связанных с регулированием напряжения. Срок окупаемости 2 года, в основном, за счет уменьшения потерь в прилегающей сети. Пример влияния управляемого реактора РТУ-25000/110 на напряжение сети при его работе совместно с батареями конденсаторов показан на рис.8.

Рис.7. Установочный чертёж электромагнитной части управляемого реактора РТДУ-25000/110
Транспортная масса- 60000 кГ Масса масла -19000 кГ

Рис.8. Характер изменения напряжения в точке подключения РТУ-25000/110 при регулировании его мощности от холостого хода до нормального и обратно.

Рис.9. Установочные габариты фазы РОДЦУ.

Таблица 2.
Основные технические данные управляемого реактора РТУ-25000/110

Анализ, проведенный специалистами института “Энергосетьпроект”, показал, что установка РТУ-25000/110 экономически целесообразна на шинах большинства тупиковых подстанций, удаленных от центра питания на расстояние и более 80-100 км. Технико-экономические проработки показали также эффективность использования реакторов данного типа совместно с батареями конденсаторов в разветвленной электрической сети вместо синхронных и статических тиристорных компенсаторов [ 5 ].
Шунтирующий управляемый реактор типа РТУ-180000/500 для линий СВН и УВН разработан по заказу РАО “ЕЭС России” ещё в конце 80-х годов. Основные технические данные приведены в таблице 3. Установочный чертеж фазы на рис.9.
Головной образец фазы успешно прошел сетевые испытания в 1992 году [ 6 ]. Основные функциональные возможности таких реакторов: плавное изменение мощности в 100 кратном диапазоне с эквивалентной постоянной времени 0,1 сек, безинерционное кратковременное( до 1 минуты) увеличение мощности в 1,5-2 раза выше номинальной, возможность по- фазного управления.
Таблица 3.
Основные технические данные управляемого реактора РТУ- 180000/500

Стабилизация напряжения в точке подключения реактора осуществляется в автоматическом режиме путем плавного изменения потребляемой мощности фаз реактора 1 в соответствии с сигналом рассогласования, вырабатываемого системой управления 3. Потребляемый ток фаз реактора 1 изменяется в результате подмагничивания их магнитных систем постоянным током, вырабатываемым тиристорным преобразователем. При увеличении напряжения до 2,5 % от заданного значения уставки, пропорционально сигналу рассогласования, потребляемая мощность реактора 1 плавно меняется от мощности холостого хода до номинальной. Задание величины потребляемой мощности реактора осуществляется и в автоматизированном режиме путем задания оператором в системе управления 3 требуемой уставки мощности фаз 1. В этом случае, независимо от величины напряжения в точке подключения реактора, трансформатор со встроенным преобразователем 2 будет выдавать ток управления, обеспечивающий требуемое значение реактивной мощности. Кроме нормальных режимов реактор РТУ- 180000/500 допускает работу с независимым регулированием мощности фаз, а также с подключением к сети 500 кВ неполного количества фаз. В случае ОАПВ, между фазами реактора электромагнитная связь устраняется с одновременным безинерционным уменьшением сопротивлений фаз, по крайней мере, в 1,5 раза по отношению к номинальному значению. Фазы реактора 1, трансформатор со встроенным преобразователем 2 и система управления 3 не повреждаются и сохраняют работоспособность во всех эксплуатационных режимах работы подстанции или линии, включая нелолнофазные режимы работы и ОАПВ. Релейная защита и автоматика системы управления 3 обеспечивает контроль правильного функционирования и защиту фаз реактора 1 и трансформатора со встроенным преобразователем 2. Релейная защита системы управления 3 согласуется с релейной защитой сети в точке подключения реактора. Характер изменения тока фазы при плавном регулировании и безинерционной форсировке, иллюстрирующий принципиальные возможности реактора РТУ- 180000/500, показан на рис. 11.
Тщательный анализ технических характеристик, проведенный специалистами энергетиками России, Казахстана, Бразилии, Индии, Китая и других стран, показал, что управляемые реакторы 500 кВ представляют собой уникальный электротехнический комплекс стабилизации напряжения и управления режимами энергосистем и протяженных линий электропередач. Например, применительно к Казахстану показано, что установка десяти трехфазных групп управляемых реакторов в электрических сетях класса 500 кВ наряду с обычными шунтирующими реакторами радикальным образом решает проблему стабилизации напряжения и управления режимами системообразующих протяженных линий электропередач. По ориентировочной оценке РАО “ЕЭС России”, из реакторов, устанавливаемых в электрических сетях класса 500 кВ, желательно иметь до 30% управляемых. Стоимость трехфазного комплекта управляемых реакторов РОДЦУ-60000/500-У1 в 1,7-2 раза больше обычных шунтирующих реакторов, но при этом, как минимум в 2-2,5 раза экономнее альтернативных вариантов, например, тиристорных компенсаторов [ 7 ].
Несколько слов о надежности и ресурсных возможностях таких устройств. В состав всех вариантов исполнения реакторов входят три основных части: электромагнитная часть в маслонаполненном баке в пофазном или трехфазном исполнении, или, собственно говоря, фазы реактора; тиристорный преобразователь; электронная система управления, регулирования защит и автоматики.
Основная по трудозатратам и стоимости часть - фазы реактора. Они состоят из плоскошихтованной магнитной системы и цилиндрических обмоток трансформаторного типа. Как конструкция, каждая фаза управляемого реактора идентична однофазному двухобмоточному трансформатору двухстержневого бронестержневого типа с повышенным напряжением короткого замыкания обмоток (от 30% до 60%). Очевидно, что ресурсная возможность таких конструкций составляет десятки лет. Принципиальным является то, что впервые в реакторах применена цельношихтованная магнитная система, что положительно сказалось на вибрационных и шумовых характеристиках. Так в дугогасящих реакторах типа РУОМ средний уровень звука составил 62 ДБА, в управляемом реакторе РТУ-25000/110 - 76 ДБА, в реакторе РТУ-180000/500 - 82 ДБА.
Второй составляющей управляемых реакторов являются тиристорные преобразователи. По отношению к мощности фаз их мощность составляет порядка 1%. Тиристорный преобразователь для всей серии дугогасящих реакторов типа РУОМ выполнен на базе двух тиристоров 14 класса током 250 А. Для изготовления тиристорного преобразователя РТУ-25000/110 достаточно шести тиристоров 24 класса током 630 А. Фаза преобразователя РТУ-1800000/500 содержит два тиристора 32 класса током 1600 А. Конструкция преобразователей предусматривает их размещение и эксплуатацию в маслонаполненной среде. Предусмотрено несколько вариантов компоновки преобразователей. Для дугогасящих реакторов разработан вариант размещения фазы реактора и тиристорного преобразователя в общем маслонаполненном баке с возможностью замены преобразователя без слива масла из бака. В высоковольтных реакторах 110-500 кВ преобразователь размещается в отдельном маслонаполненном баке и имеет трехфазное или пофазное исполнение. Внешний дизайн преобразователей адаптирован к стандартному виду силового электротехнического оборудования. Преобразователь РТУ-25000/110 размещен в баке трансформатора ТМ-160, а преобразователь РТУ-180000/500 в баке ТМ-630. Поскольку временной ресурс тиристоров значительно ниже ресурса реакторного оборудования схема высоковольтных реакторов и комплектность поставки предусматривает возможность резервирования и замены преобразователя без отключения фаз реактора от сети. Из-за малой мощности преобразователя такой резерв заметного влияния на цену реактора не оказывает.
Что касается систем управления регулирования защит и автоматики управляемых реакторов, то при их разработке в полной мере учтены две характерные особенности управляемых реакторов. Во-первых, интегральный характер воздействия выходного напряжения преобразователя на ток фаз реактора, во-вторых, простота конструкции преобразователя, содержащего не более двух полупроводниковых приборов на фазу. Первое качество определяет высокую помехоустойчивость управляемого реактора, а второе простоту схемотехнических решений системы управления. Системы управления всех типов реакторов имеют моноблочное исполнение и устанавливаются в стандартных ячейках панелей щита управления подстанции.
В целом же управляемый реактор как электротехнический комплекс построен таким образом, что авария в системе управления не приводит к выходу из строя преобразователя, а выход из строя преобразователя исключает возможность разрушения фаз. Доверие к надежности технических решений и качеству исполнения вызывает тот факт, что испытания всех видов головных образцов, описанных в статье управляемых реакторов, прошли успешно, без переделок и существенных замечаний со стороны приемочных комиссий и заказчиков. Многолетний опыт эксплуатации прототипов (до 10 лет и более) также имеет положительную оценку отечественных и зарубежных энергетиков [8,9,10,11].
Накопленный опыт производства и эксплуатации позволяет говорить
о  полной готовности производителей предложить для электроэнергетики широкую гамму управляемых реакторов различного назначения. По конструкции, условиям и простоте эксплуатации они сопоставимы с обычным трансформаторным и реакторным оборудованием, а по функциональным возможностям являются автоматически регулируемыми электротехническими комплексами, на новом уровне решающими многие вопросы управления и оптимизации режимов работы электрических сетей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брянцев А.М. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ №989597,1983 г.
2. Брянцев А.М. Электроиндукционное устройство (авторское свидетельство). А.С. № 1061180, 1983 г.
3. “Электротехника” №2, 1991 (спецвыпуск).
4. Брянцев А.М., Гудилин С.В., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Елагин В.Н., Зенова В.П., ЛипатовЮ.А., Лурье А.И., Пикановский А.В., Трубанов В.А. Заземляющее дугогасящее устройство на базе управляемых реакторов. “Электротехника 2010 год”. Наука. Производство. Рынок, сб.статей IV Международного симпозиума. ВЭИ. ТРАВЭК.. Москва, 1997 г.
5. Бики М.А., Брянцев А.М., Гудилин С.В., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Зенова В.П., Лурье А.И., Трубанов В.А., Юрьев К.А. Трехфазный управляемый реактор РТУМ-25000/110. “Электротехника 2010 год”. Наука. Производство. Рынок, сб.статей IV Международного симпозиума. ВЭИ. ТРАВЭК. Москва, 1997г.
6. Бики М.А., Брянцев А.М., Лейтес Л.В., Лурье А.И., Чижевский Ю.Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах. “Электричество”№ 6,1994 г.
7. Бики М.А., Брянцев А.М., Гудилин С.В., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Лурье А.И., Трубанов В.А.. Трехфазный управляемый реак- торРТДЦУ-18000/500. “Электротехника 2010 год”. Наука. Производство. Рынок., сб.статей IV Международного симпозиума. ВЭИ. ТРАВЭК. Москва, 1997 г.
8. Брянцев А.М., Соколов С.Е., Бикташев Ш.Ш., Лис И.Д., Наумов В.А., Пильч М.Л., Светлов С.Е.. Стержневой управляемый реактор с пространственным магнитопроводом в электрической сети 35-110 кВ. “Электрические станции”. № 5, 1982г.
9. Брянцев А.М., Бродовой Е.Н., Гордеев С.А., Леонов И.И., Мозже- рин В.Н. Соловьев Г.П., Благодырев В.И., Лисов Ю.А. Магнитовентильный управляемый реактор для статического компенсатора реактивной мощности. “Электротехника. № 7, 1990г.
10. Biki М.A., Brodovoi E.N., Bryantsev A.M., Chizhessky Y.L., Leites L.I/, Lurie A.I. Electromagnetic process in highpower controlled reactors International Symposium on electromagnetic Fields in electrical engineering. ISEF- 91. England.
11. Асамбаев C.H., Соколов C.E. О характеристиках потребляемого тока управляемых реакторов с подмагничиванием. “Электрические станции”. №11, 1997г.