Архивы 2001 - Результаты эксплуатации управляемого подмагничиванием трехфазного шунтирующего реактора

Результаты эксплуатации управляемого подмагничиванием трехфазного шунтирующего реактора

Брянцев А. М., Долгополов А. Г., доктора техн. наук, Лурье А. И., Евдокунин Г. А., доктор техн. наук, Бики М. А., канд. техн. наук, Уколов С. В., Авдонин А. Г., Шипицын В. П., инженеры

Головной промышленный образец управляемого реактора типа РТУ-25000/110-У1 был изготовлен в 1997 г. кооперацией трех организаций: электромагнитная часть - Запорожским трансформаторным заводом, система подмагничивания - Раменским заводом “Энергия”, система управления - Научно-техническим центром ВЭИ в г. Тольятти. В 1998 г. реактор прошел комплексные приемосдаточные испытания и последующую опытно-промышленную эксплуатацию на мощном испытательном стенде НТЦ ВЭИ в г. Тольятти. В мае 1999 г реактор был отправлен заказчику - в Северные электрические сети Пермэнерго, смонтирован на головной подстанции 110 кВ г. Кудымкар и в сентябре 1999 г. после проведения пусконаладочных работ запущен в эксплуатацию совместно с существующей конденсаторной батареей установленной мощностью 52 Мвар.
Технико-экономическое обоснование применения реактора на подстанции Кудымкар, расчет режимов и уставок проводились специалистами Санкт-Петербургского государственного технического университета совместно со службой режимов Пермэнерго. Научно-техническое сопровождение проекта и координацию работ осуществляли московские организации - научно-внедренческая фирма “Электроцентр”, ВЭИ им. В. И. Ленина и Департамент электрических сетей РАО “ЕЭС России”. В настоящей статье приведены основные технические решения, функциональные возможности реакторов данного типа и результаты более чем годичной промышленной эксплуатации головного образца в Северных электрических сетях.
Основным назначением управляемого реактора является стабилизация напряжения и снижение потерь от перетоков реактивной мощности на головной подстанции Кудымкар, которая получает питание от энергосистемы Пермэнерго двумя линиями 110 кВ протяженностью более 100 км. Резко переменный суточный и сезонный графики нагрузок при значительной удаленности от центра питания приводили к регулярным отклонениям напряжения в пределах от 97 (без батареи конденсаторов) до 120 кВ, ежедневной коммутации существующей конденсаторной батареи (число коммутаций в год доходило до 800 раз) и постоянной работе устройств РПН трансформаторов (порядка 1800 переключений в год). Броски напряжения при коммутации конденсаторов достигали 10 - 15 кВ. Ситуация усугублялась наличием отходящих на север тупиковых линий 110 кВ, длина которых также превышает 100 км.
Наряду с ненормативными отклонениями напряжения, износом выключателей и устройств РПН энергосистема несла дополнительные затраты от потерь энергии при перетоках реактивной мощности от центра питания при отключенной конденсаторной батарее и в обратном направлении при ее включении.
В качестве альтернативного варианта развития энергоузла рассматривалось строительство параллельной линии электропередачи напряжением 220 кВ, затраты на сооружение которой более чем на порядок превышают стоимость установленного оборудования реактора РТУ-25000/110.
По своему назначению и функциональным возможностям управляемый реактор совместно с батареей статических конденсаторов (БСК) выполняет функции аналогичного по мощности синхронного компенсатора, установленного на данной подстанции, либо статического тиристорного компенсатора (СТК) той же мощности. Однако в отличие от этих вариантов регулирования напряжения и реактивной мощности в узле нагрузки управляемый реактор с БСК имеет не только значительно меньшую стоимость изготовления, но и существенно более низкие затраты на монтаж и эксплуатацию, поскольку основное высоковольтное оборудование реактора не отличается по условиям монтажа и эксплуатации от аналогичных по напряжению и мощности трансформаторов или неуправляемых реакторов, не требует закрытых помещений и высококвалифицированного специализированного персонала. Так, на данной подстанции реактор РТУ-25000/110 был успешно встроен в существующую схему подстанции с традиционным трансформаторным оборудованием, а его эксплуатация не потребовала какого-либо увеличения штата персонала или его переквалификации.
При разработке управляемого подмагничиванием реактора типа РТУ-25000/110-У1 к нему были предъявлены следующие основные технические требования.


Рис. 2. Набор мощности реактора от холостого хода до номинальной:

на осциллограммах сверху вниз: напряжение шин 110 кВ подстанции; три фазных тока реактора; ток фазы конденсаторной батареи (БСК); общий ток параллельно соединенных реактора и БСК (ток масляного выключателя МВ 110 кВ); ток питания системы управления (фазы ТМП); ток подмагничивания в обмотке управления реактора
Как будет показано далее, эти требования были выполнены, что подтверждено результатами испытаний и опытной эксплуатацией реактора.

Рис. 1. Принципиальная схема электрических соединений трехфазного управляемого реактора РТУ-25000/110:
1 - электромагнитная часть РТДУ-25000/110; 2 - трансформатор со встроенным преобразователем ТМП-160/10(120/800); 3 - система управления СУРЗА (РТУ-25000/110)

Рис. 3. Установившийся стационарный режим совместной работы РТУ и БСК на подстанции Кудымкар с номинальной нагрузкой реактора:

сверху - вниз: линейное напряжение на шинах реактора; три фазных тока реактора; ток БСК; на малых графиках - спектры гармонического состава напряжения и токов (все кривые близки к синусоидам)
Система управления, регулирования, защит и автоматики (СУРЗА) реактора предусматривает три режима работы: основной режим - режим автоматической стабилизации напряжения в узле нагрузки, ручной режим с заданным оператором значением фазного тока реактора и режим автоматизированного поддержания заданного значения реактивной мощности.
Благодаря незначительному току холостого хода реактора (менее 1 А) допускается его прямое подключение к линии или шинам подстанции через разъединитель, что также существенно снижает стоимость проекта в сравнении с СТК, в котором необходим и понижающий трансформатор, и высоковольтный выключатель. Однако в данном случае на подстанции Кудымкар реактор включен в схему параллельно с БСК через общий с ней ранее существующий выключатель 110 кВ. По рекомендациям НТЦ ВЭИ, выработанным в результате испытаний и опытной эксплуатации в Тольятти, выбран состав защит и их уставок с действием на совместное отключение РТУ и БСК в аварийных режимах.
Теория работы и принцип действия управляемых подмагничиванием реакторов с предельным насыщением магнитной цепи описаны в [1 - 5]. Принципиальная электрическая схема реактора РТУ-25000/110-У1 показана на рис. 1. Фазы сетевой обмотки реактора соединены в звезду с заземленной нейтралью, имеют встроенные трансформаторы тока и подключены к шинам подстанции. Обмотка подмагничивания соединена в двойной разомкнутый треугольник и подключена эквипотенциальными по переменному току выводами к выходу преобразователя, встроенного в трансформатор подмагничивания со схемой соединения треугольник - шестилучевая звезда. Система управления связана с измерительными трансформаторами и управляющими входами преобразователя - шестипульсного выпрямителя.
Конструктивно комплекс реактора состоит из электромагнитной части РТДУ-25000/110-У1 в трехфазном исполнении, трансформатора подмагничивания ТМП-160/10 со встроенным преобразователем и системы управления СУРЗА. Электромагнитная часть по конструкции, монтажу и обслуживанию аналогична двухобмоточному трансформатору той же мощности и того же класса напряжения, располагается на территории открытого распредустройства рядом с конденсаторной батареей и подключена совместно с БСК к шинам 110 кВ подстанции через общий выключатель 110 кВ.
Трансформатор ТМП-160/10 установлен рядом с электромагнитной частью на железобетонных стойках, подключен к ячейке ЗРУ 10 кВ кабелем и соединен с выводами обмотки подмагничивания ошиновкой.

Рис. 4. Включение параллельно соединенных реактора РТУ-25000/110 с предварительным подмагничиванием и батареи конденсаторов БСК на мощность, близкую к номинальной:
сверху вниз: напряжение на реакторе; три фазных тока реактора (максимум 370 А); ток подмагничивания; ток фазы батареи; суммарный ток реактора и БСК

Блок СУРЗА располагается на пульте управления подстанции, подключен к трансформаторам тока фаз реактора и трансформатору напряжения шин подстанции, а выходными цепями - к входам управления преобразователем ТМП. При изменении выходного сигнала управления СУРЗА от 2 до 7 В выходной ток преобразователя через обмотку подмагничивания реактора изменяется в пределах от 0 до 800 А, при этом фазные сетевые токи реактора соответственно изменяются в пределах от тока холостого хода до номинального.
Поскольку стабилизация напряжения на шинах подстанции 110 кВ при изменении суточного графика нагрузок не требует повышенного быстродействия, техническим заданием для головного образца предусмотрена постоянная времени по изменению мощности реактора порядка 1 с. При этом номинальная мощность подмагничивания составляет 0,4% номинальной мощности реактора, что существенно упрощает и удешевляет стоимость трансформатора и преобразователя.
Головной образец реактора прошел три цикла испытаний. При изготовлении составных частей комплекса на соответствующих предприятиях проведены заводские испытания, на испытательном стенде в Тольятти прошли комплексные испытания оборудования, на подстанции Кудымкар в ходе пусконаладочных работ выполнен цикл приемосдаточных испытаний в соответствии с расширенной программой. Все этапы испытаний подтвердили соответствие реактора и его составных частей требованиям технического задания и технических условий на реакторы данного типа.
После монтажа, приемки и наладки составных частей комплекса на подстанции Кудымкар был проведен ряд испытаний реактора РТУ-25000/110 совместно с БСК. При этих испытаниях также были сняты регулировочные и динамические характеристики реактора с БСК. Нелинейные искажения тока сетевой обмотки исследовались в установившихся режимах с различным током подмагничивания. Реактор был исследован в режимах коммутаций (включения - отключения), а также в режимах автоматической стабилизации напряжения и реактивной мощности.
Далее в качестве примера результатов испытаний на подстанции Кудымкар приведены регулировочные характеристики реактора с БСК, которые характеризуют изменение установившихся значений фазных сетевых токов реактора в зависимости от напряжения управления и тока подмагничивания, а также влияние степени загрузки реактора на напряжение шин подстанции в типичных режимах нагрузки.

Рис. 5. Суточный график (29 марта 2000 г.) изменения напряжения на шинах 110 кВ и тока реактора РТУ-25000/110-У1 при его работе совместно с конденсаторной батареей БСК в режиме автоматической стабилизации напряжения:
1 - напряжение шин; 2 - ток фазы реактора; ток БСК - около 210 А, примерно постоянный в течение суток (на графике не показан)
Ток 1оу рту - ток в обмотке управления реактора; 1ф рТу - фазный ток сетевой обмотки реактора; ил. шин - линейное напряжение тин 110 кВ подстанции.
Регулировочные характеристики реактора исследованы также в ходе многократных включений и изменения потребляемой мощности с помощью системы управления.
В итоге получены следующие результаты.
Ток холостого хода (действующее значение) 1хх равен 0,6 A
Максимальный ток фазы реактора (при полностью открытых тиристорах преобразователя ТМП) Imax = 142 A
Таким образом, практически достигнутый диапазон изменения мощности составил 120 - 27 500 кВА.
Эффективность воздействия реактора на напряжение в точке подключения на шинах подстанции Кудымкар при его переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в ручном режиме работы с БСК составила 10 кВ (около 9%).
В основном режиме работы (автоматическая стабилизация напряжения на шинах подстанции) отклонения напряжения на шинах 110 кВ в течение суток не превышают 1,5%, что зафиксировано неоднократным суточным осциллографированием.
В ходе исследований динамических режимов зафиксировано, что время перехода реактора от режима холостого хода (0,6 А) до номинального тока (114 А) при полностью открытых тиристорах ТМП составляет 5 с, постоянная времени набора мощности в режиме автоматической стабилизации напряжения равна 1,5 с, а постоянная времени сброса мощности - около 2 с. Эти динамические характеристики полностью удовлетворяют условиям регулирования напряжения на подстанции Кудымкар. Следует отметить, что для реакторов с подмагничиванием этого типа принципиально возможно достижение быстродействия порядка 0,2 с и даже менее.
Характерные осциллограммы переходного процесса набора мощности реактора показаны на рис. 2. Осциллограммы получены с помощью многоканального цифрового регистратора аварийных процессов (ЦРАП) производства “Парма”, г Санкт-Петербург. На этом рисунке время записи осциллограмм составляет 5 с, при этом переходный процесс набора мощности составляет 4 - 5 с.
По результатам осциллографирования стационарных режимов работы реактора от холостого хода до номинального режима через каждые 20 А фазного тока анализировался гармонический состав сетевого тока и напряжения шин подстанции. Характерные осциллограммы для режима номинальной мощности показаны на рис. 3. При номинальной нагрузке реактора нелинейные искажения в токе реактора, и что наиболее важно в линейном напряжении, практически отсутствуют, они оказались ниже уровня чувствительности измерительной аппаратуры, т.е существенно менее 1%. В промежуточных режимах ток искажения не превышал 5 А (4,4%), однако заметных искажений напряжения сети при этом не возникало. Следует отметить, что в самое последнее время уже на основе теоретических разработок, полученного опыта при проектировании и испытаниях РТУ-25000/110 разработаны новые эффективные меры по дальнейшему радикальному снижению искажений в токе реакторов.
Коммутационные режимы реактора исследовались путем многократных включений и отключений реактора масляным выключателем 110 кВ при различных значениях сетевого тока и тока подмагничивания как в режиме совместной работы с БСК, так и без конденсаторной батареи. Максимальный ток фазы при включении подмагниченного реактора с учетом апериодической составляющей не превышает 300 А.
Характерные осциллограммы коммутационных режимов включения предварительно подмагниченного, параллельно соединенного с БСК реактора приведены на рис. 4. Как видно из приведенных осциллограмм, при этом перенапряжений в сети и существенных бросков тока в обмотках реактора и прилегающей сети не наблюдалось. Это очень важно, так как режим включения параллельно соединенных БСК и реактора с предварительно установленным требуемым уровнем подмагничивания является наиболее оптимальным режимом включения с точки зрения возникновения перенапряжений и обеспечивает безынерционный выход реактора на установленный уровень потребления реактивной мощности.
Следует подчеркнуть, что на подстанции Кудымкар до установки РТУ при ежедневной двукратной коммутации БСК коммутационные выбросы напряжения превышали 10 кВ и приводили к нежелательной работе РПН трансформаторов головной подстанции и других потребителей. С появлением реактора необходимость коммутации БСК в течение суток исчезла. Однако и при эпизодическом включении РТУ с БСК после профилактических или регламентных работ совместное включение БСК с предварительно подмагниченным реактором, как это уже было показано на рис. 4, не приводит к существенным отклонениям напряжения в переходном процессе. Кроме того, возможность непрерывной работы БСК совместно с РТУ без отключений привела к улучшению формы кривой напряжения на шинах подстанции.
После введения реактора в промышленную эксплуатацию в автоматическом режиме работы осуществлялся круглосуточный контроль тока реактора и напряжения шин по каналам телемеханики.
На рис. 5 построен суточный график работы реактора с конденсаторной батареей БСК в режиме автоматической стабилизации напряжения. Видно, что напряжение в сети поддерживается в узких пределах от 115 до 117 кВ. Важно отметить, что в течение суток устройства РПН в трансформаторах не работали. Ток БСК - порядка 210 А, примерно постоянный в течение суток (БСК ни разу не коммутировалась). Ток реактора изменялся в пределах от 37 до 118 А.
Для сравнения опишем суточный график без управляемого реактора. Напряжение сети изменялось от 117 кВ (днем, при включенной БСК) до 100 (ночью, при выключенной БСК). В течение суток устройство РПН каждого трансформатора на главной и отходящих подстанциях срабатывало 5 - 7 раз (до установки БСК и управляемого реактора в течение суток напряжение сети изменялось от 95 до 118 кВ).
На рис. 6 показан общий вид реактора на подстанции Кудымкар.
После 9 мес эксплуатации реактора на базе предприятия Северных электрических сетей Пермэнерго был проведен семинар с участием Департамента электрических сетей РАО “ЕЭС России” и представителей ряда энергосистем. В заключительных документах совещания зафиксированы следующие результаты промышленной эксплуатации головного образца управляемого реактора 110 кВ в Пермэнерго:
колебания напряжения в точке подключения в режиме автоматической стабилизации малы и составляют не более 1,5% относительно напряжения сети (напряжения уставки);
число коммутаций БСК и РПН трансформаторов сократилось примерно в 100 раз и составляет в среднем одно отключение в месяц, это существенно увеличило надежность эксплуатации оборудования подстанции;

Рис. 6. Управляемый подмагничиванием реактор типа РТУ-25000/110 на подстанции Кудымкар

получена существенная экономия потерь мощности (более 1,5 МВт) в часы максимумов графика нагрузок за счет снижения потерь от перетоков реактивной мощности в питающих и отходящих линиях;
в режиме автоматической работы реактор не требует вмешательства эксплуатационного персонала;
обеспечено бесперебойное электроснабжение потребителей Коми-Пермяцкого автономного округа, что позволило отнести на 10 - 15 лет запланированное ранее строительство линии 220 кВ на север Пермской области.
Управляемые подмагничиванием реакторы - это новое электротехническое оборудование. Как известно, ко всему новому всегда со стороны эксплуатации возникает настороженное отношение по многим соображениям, прежде всего по параметрам нового оборудования, практическим вопросам его эксплуатации и накопленному опыту работы.
Известно, что у некоторых специалистов имеется ошибочное мнение о двух основных недостатках параметров управляемых подмагничиванием реакторов: большой их инерционности (малом быстродействии) и несинусоидальности их тока (больших нелинейных искажениях в сети).
Что касается быстродействия управляемого реактора РТУ-25000/110-У1, то и по расчету, и по результатам испытаний его быстродействие составляет для разных режимов набора и сброса мощности от 1 до 5 с. Для данного типа реактора такое малое быстродействие вполне достаточно, поскольку его основным назначением является стабилизация напряжения при изменении графика нагрузки в течение суток.
В настоящее время разработчики и изготовители управляемых подмагничиванием реакторов всех типов и классов напряжений (от 6 до 500 кВ) предложили и освоили соответствующие технические решения, которые могут при необходимости обеспечить быстродействие реакторов порядка 0.1 - 0,2 с [3, 4], а иногда и выше (например, для управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов - порядка 0,01 - 0,02 с [3, 5]).
Особо следует остановиться на нелинейности управляемых подмагничиванием реакторов. Принцип действия этих реакторов таков, что нелинейные искажения в токе реактора должны всегда быть не хуже, чем в тиристорных СТК. Однако в управляемых реакторах есть еще и ряд особенностей их электромагнитных процессов, которые существенно снижают искажения тока. В частности, в реакторах при номинальной нагрузке (вблизи режима полупредельного насыщения), при максимальной нагрузке (в режиме предельного насыщения) и примерно при 50% нагрузки теоретически искажений вообще нет, а практически они минимальны. Так, при испытаниях реактора РТУ-25000/110-У1 в номинальном режиме чувствительности прибора не хватило, чтобы зафиксировать ток искажения, т.е. ток искажения оказался существенно ниже 1%. Ток искажения 5 А (по отношению к номинальному току это составляет 4,4%) был только в каком-то ограниченном диапазоне изменения тока реактора. В самое последнее время уже на основе теоретических разработок, полученного опыта при проектировании и испытаниях реактора РТУ-25000/110 разработаны новые эффективные меры по радикальному снижению искажений в токе реакторов.
Важно подчеркнуть, что процентное значение тока искажения реактора вовсе не должно автоматически отождествляться с процентным искажением напряжения сети в точке подсоединения реактора. А эти проценты искажения напряжения зависят от соотношения сопротивлений реактора и сети, при этом, как правило, искажение сети в процентах много меньше. При испытаниях реактора РТУ-25000/110-У1 в сети даже при токе искажения реактора порядка 5 А искажений в напряжении более 1% зафиксировать не удалось.
Что касается практических вопросов использования новых управляемых подмагничиванием реакторов, то об этом уже говорилось. Они имеют относительно небольшую стоимость, существенно сниженные затраты на монтаж и эксплуатацию.
Как было уже отмечено, на подстанции Кудымкар реактор РТУ-25000/110 был успешно встроен в существующую схему подстанции с традиционным трансформаторным оборудованием, а его эксплуатация не потребовала какого-либо увеличения штата персонала или его переквалификации.
Одним из самых важных аргументов при решении вопроса о внедрении нового оборудования является наличие положительного опыта эксплуатации. За время эксплуатации реактора РТУ-25000/110 с сентября 1999 г. по настоящее время аварийных отключений реактора и ложных срабатываний релейной защиты не было. Претензий со стороны персонала подстанции к процессу эксплуатации реактора нет.

Выводы

1. Управляемый реактор РТУ-25000/110-У1 является эффективным средством стабилизации напряжения, снижения потерь и числа коммутаций выключателей и РПН трансформаторов в протяженных линиях с переменным суточным графиком нагрузки.
2. Совместно с батареей конденсаторов он может быть рекомендован к применению вместо синхронных и статических компенсаторов реактивной мощности.
3. Установленный на подстанции Кудымкар реактор РТУ-25000/110-У1 может быть принят за прототип при разработке управляемых реакторов для сетей 220 - 500 кВ.

Список литературы

1. Управляемые реакторы. - Электротехника, 1991, № 2 (номер целиком посвящен управляемым подмагничиванием реакторам).
2. Пат. 2132581 (РФ). Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор / Брянцев А. М., Долгополов А. Г., Лурье А. И. и др. - Опубл. в Б. И., 1999, № 18.
3. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование / Брянцев А. М., Базылев Б. И., Бики М. А. и др. - Энергетик, 2000, № 1.
4. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах / Бики М. А., Бродовой Е. Н., Брянцев А. М. и др. - Электричество, 1994, № 6.
5. Управляемые подмагничиванием дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю для сетей 6 - 35 кВ / Брянцев А. М., Лурье А. И., Долгополов А. Г. и др. - Электричество, 2000, № 7.