УДК 621.382.026/027.7.001.5
Р. А. ЛЫТАЕВ, И. П. ТАРАТУТА, кандидаты техн. наук ВЭИ имени В. И. Ленина
Со второй половины 60-х годов в ВЭИ проводятся интенсивные работы по созданию высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ) для линий передач и вставок постоянного тока. За прошедшие годы были созданы и прошли конкретные испытания несколько поколений вентилей. Эти вентили работали на передаче постоянного тока Кашира—Москва (1969—1973 гг), с 1974 г. по настоящее время ВТВ эксплуатируются на передаче Волгоград—Донбасс (± 400 кВ, 900 А), а с 1981 г. успешно работают на крупнейшей в мире вставке постоянного тока СССР—Финляндия.
Были разработаны самые мощные в мире ВТВ для передачи Экибастуз—Центр (± 750 кВ, 2000 А), которые успешно прошли испытания на мощных испытательных стендах городов Тольятти и Белый Раст в условиях, близких к реальным.
Хотя эти изделия отличаются друг от друга по мощности, напряжению, отдельным конструктивным и техническим решениям — общим у них являются основные принципы построения. К ним относятся: модульная конструкция внутренней установки; световые системы управления; широкое внедрение технической диагностики, позволяющей предотвратить аварийные ситуации и поддерживать высокую надежность изделия; водяная система охлаждения всех элементов, выделяющих тепло (тиристоры, резисторы и дроссели).
Модульная конструкция в сочетании со световой системой управления и автономным питанием устройств управления на высоком потенциале позволила получить гибкую структуру построения ВТВ путем последовательного соединения модулей (а в случае необходимости и параллельного), создавать ВТВ на различные токи и напряжения, сохраняя высокую степень унификации.
Применение световой системы управления позволило радикально решить вопросы создания высоковольтной изоляции в системах импульсного управления и диагностики, получить высокую помехоустойчивость этих систем.
Сигнал управления с потенциала земли подается на каждую тиристорную ячейку по световодам В каждой тиристорной ячейке импульсы управления необходимого значения и длительности для включения силового тиристора формируются блоком управления, состоящим из фотоприемного устройства и формирователя импульса. Например, для блока БВПМ 800/470 ЛЭП Экибастуз—Центр передача сигнала управления от шкафа управления ВТВ к каждой тиристорной ячейке осуществлена по разветвленному двухступенчатому оптоэлектронному каналу (рис. 1). В качестве источника света использован полупроводниковый лазер ЛПИ-104 (250 Вт) со стабилизированной энергией импульса излучения.
Информация о состоянии каждой тиристорной ячейки передается на потенциал земли по одиночным световодам длиной до 25 м. В качестве источника излучения используются арсенидгаллиевые светодиоды.
Основные элементы световой системы управления (лазеры, смесители, светодиоды, световоды) освоены нашей промышленностью и, как показала практика, имеют высокую эксплуатационную надежность.
Технико-экономические характеристики, конструкция и надежность ВТВ во многом определяются параметрами применяемых силовых тиристоров, мощность которых за последние 20 лет возросла в 25 раз (рис. 2).
Рис 1. Блок-схема управления БВПМ 800Ц10 ЛЭП Экибастуз—Центр: СВ-1 —суммирующий световод; СМ-1, СМ-2 — оптические смесители; СВ-2, CBS — распределительные световоды; ФЯ — фотоячейка; ДЭ- 1, ДЭ-2 — датчики контроля энергии лазера, СВЧ-2, СВЧ-1 — световоды контроля лазера; Л-1, Л-2 — лазеры ЛПИ-104
Рис. 2 Тенденция роста мощности тиристоров
В табл. 1 приведены параметры тиристора Т153-2000, который в настоящее время серийно осваивается промышленностью. Непрерывное совершенствование технологии производства и качества исходных материалов позволяет рассчитывать на создание в ближайшие два- три года мощных силовых тиристоров на рабочее напряжение 8 кВ типа Т253-2000 (табл. 1).
Применение таких тиристоров позволит значительно сократить число последовательно соединенных тиристорных ячеек в ВТВ, увеличить реализуемую мощность с одного тиристора до 2000 кВт и создать преобразовательные мосты на выпрямленный ток до 5000 А при отсутствии параллельного соединения тиристоров.
Увеличение мощности силового тиристора сопровождается ростом тепловыделения и значительным возрастанием плотности теплового потока. Отвод тепла от тиристоров для поддержания требуемого температурного режима полупроводниковой структуры становится непростой задачей.
В табл. 2 приведено сравнение теплоотдачи различных применяемых на практике хладагентов.
Таблица 1
Таблица 2
Приведенные в табл. 2 значения удельной теплоотдачи соответствуют реально достижимым в практике скоростям движения хладагента. Применение воды в качестве хладагента, которая имеет наилучшие удельные характеристики, позволяет обеспечить высокую интенсивность теплоотвода, получить компактные конструкторские решения и повысить пожаробезопасность оборудования.
В последние годы, в силу целого ряда обстоятельств, интерес к передачам и вставкам постоянного тока в нашей стране упал. Законсервировано создание крупнейшей передачи постоянного тока Экибастуз—Центр.
Между тем опыт, накопленный в процессе проектирования ВТВ, технические и конструкторские решения, прошедшие длительную проверку в реальных условиях, могут с успехом быть приняты для создания преобразовательной техники для других отраслей народного хозяйства.
Одна из таких областей — мощные статические тиристорные компенсаторы (СТК) для нужд черной металлургии и энергетики, которые были разработаны в ВЭИ и успешно эксплуатируются в течение длительного времени на Молдавском и Дальневосточном передельных металлургических заводах.
Тиристорно-реакторные группы этих СТК были оснащены высоковольтными встречно-параллельными тиристорными вентилями типа ВТСВП-1600/35 (35 кВ, 1600 А), при создании которых были использованы наиболее перспективные технические решения ВТВ, разработанные для ППТ.
В настоящее время оформилось еще одно направление, в котором может быть использован опыт создания преобразователей для ППТ, это — мощный частотный электропривод с синхронными машинами.
В газовой промышленности такой электропривод может быть использован для регулирования скорости вращения центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов, устанавливаемых на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов и подземных хранилищ газа, а также дожимных КС, в энергетике для питательных насосов энергоблоков 250, 320, 500 МВт.
Рис. 3 Схема частотного привода мощностью свыше 3 МВт: ФКУ—фильтрокомпенсирующее устройство; Т — преобразовательный трансформатор; М1—М4 — тиристорные мосты, СУРЗА — система управления, регулирования защиты и автоматики; СР — сглаживающий реактор; СМ — синхронная машина; УВ — устройство возбуждения; ТТ, ТН — трансформаторы тока, напряжения
Существует потребность в мощных тиристорных пускоостановочных устройствах для частотного пуска газотурбинных установок с турбогенераторами, частотного пуска синхронных компенсаторов мощностью 160, 220 и 320 МВ-А, частотного пуска обратимых гидроагрегатов ГАЭС и т. д.
Имеются заказы на создание тиристорных устройств для частотного пуска нагруженных электроприводных газоперекачивающих агрегатов с синхронными электродвигателями СДТ-12500-2.
Частотный электропривод с тиристорными преобразователями обладает рядом принципиальных преимуществ по сравнению с другими альтернативными вариантами (например, частотно-регулируемыми турбинами). Такой привод позволяет обеспечить:
плавное изменение в процессе пуска скорости вращения синхронной машины от 0 до 100 % номинала по любой наперед заданной программе при относительно малых пульсациях вращающего момента на валу;
ограничение пускового тока до уровня номинального без ухудшения пусковых характеристик;
регулирование скорости вращения синхронной машины в рабочем диапазоне (обычно 60- 105 % номинала) с высоким к. п. д. (92—94) % при пренебрежимо малых пульсациях вращающегося момента на валу;
высокую надежность работы и длительный (свыше 10) лет срок службы;
экологическую чистоту.
Питание синхронной машины от тиристорного преобразователя позволяет повысить устойчивость ее работы при толчках нагрузки и аварийных ситуациях в питающей сети. Может быть обеспечено автоматическое юс- становление работы после глубоких посадок сетевого напряжения. Как правило, тиристорный преобразователь предохраняет машину от сетевых перенапряжений, облегчая ее изоляцию и позволяя обойтись без импульсных разрядников на ее выводах. При необходимости тиристорный преобразователь может быть снабжен фильтрокомпенсирующим устройством для компенсации реактивной мощности и устранения искажений сетевого напряжения.
И, наконец, необходимо отметить, что применение тиристорных преобразователей открывает возможность создания мощного высокочастотного электропривода, который позволит исключить ненадежные и низкоэффективные частотные редукторы между двигателями и, например, центробежными нагнетателями в газовой промышленности.
На рис. 3 приведен в качестве примера один из наиболее распространенных вариантов схемы частотного привода мощностью более 3 МВт. Это двенадцатипульсный преобразователь со звеном постоянного тока и последовательным соединением тиристорных мостов. Схема аналогична тем, которые применяются в энергетике для вставки постоянного тока. В связи с этим опыт, полученный при разработке и эксплуатации вставки СССР-Финляндия и ВТВ других назначений, может быть использован и в мощном приводе. Это и применение оптоэлектронной техники, и использование силовых тиристоров с высокими параметрами, и применение разветвленной технической диагностики, и использование деионизованной воды для целей охлаждения и многое другое. Однако работа оборудования в электроприводе и подход к проектированию некоторых узлов имеют целый ряд особенностей, обусловленных наличием синхронной машины. Важнейшие из них следующие.
