РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Технологии управляемой компенсации

Для электрической сети в целом требуется равенство генерации и потребления активной и реактивной мощности. Основным нормативным показателем поддержания баланса активной мощности в каждый момент времени является частота переменного тока, которая служит общесистемным критерием. А основным нормативным показателем поддержания баланса реактивной мощности в каждый момент времени является уровень напряжения – местный критерий, который для каждого узла нагрузки и каждой ступени номинального напряжения существенно отличается. Поэтому в отличие от баланса активной мощности необходимо обеспечить баланс и резерв реактивной мощности не только в целом в энергосистеме, но и в узлах нагрузки.
С другой стороны, при рыночных отношениях существенно выросла стоимость строительства новых высоковольтных линий. В этих условиях актуальным становится максимальное использование в режимах с повышенной пропускной способностью действующих и вновь сооружаемых линий электропередачи за счет применения различных устройств управляемой компенсации реактивной мощности, считает Валерий Иванович Кочкин.

Валерий Кочкин, д.т.н., зав. отделом средств регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях, филиал ОАО «НТЦ электроэнергетики» — ВНИИЭ, г. Москва

• фильтры высших гармоник тока;
• симметрирующие устройства;
• источники реактивной мощности.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ 0,4 –110 кВ

Рассмотрим особенности компенсации РМ на примере упрощенной распределительной электрической сети 0,4–110 кВ, в которой нагрузка подключена на напряжение 0,4 кВ (рис. 1), а передача АМ осуществляется от генератора электростанции через линию 110 кВ с тройной трансформацией напряжения через Т1, Т2, Т3. Сформулируем задачу: скомпенсировать РМ в сети Q_н = 37,5 МВАр и передать дополнительную АМ. Сделать это можно с помощью источников реактивной мощности (ИРМ).
Из анализа исходных данных и влияния места подключения ИРМ (0,4 кВ; 10 кВ и 110 кВ) на условия передачи АМ (табл. 1) следует:

• при отсутствии ИРМ и токе линии 252 А фактическая передаваемая АМ составляет 29,2 МВт, а снижение напряжения на нагрузке составляет 24%;
• при установке ИРМ параллельно нагрузке ток линии составит 305 А, АМ 53 МВт, а снижение напряжения на нагрузке 9%;
• установка ИРМ на 10 кВ и 110 кВ обеспечивает передачу АМ соответственно 50 МВт и 45 МВт со снижением напряжения на 11 и 16% на нагрузке и незначительным снижением в месте установки ИРМ. Вместе с тем величина токов линии 273 А и 234 А позволяет увеличить передачу АМ.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ 220–750 кВ

В системообразующих электрических сетях и межсистемных электрических связях режимы работы по РМ зависят от согласования характеристик трех основных элементов энергосистемы: станция (ЭС), линия электропередачи (ЛЭП) и потребитель (П).
ЛЭП можно рассматривать как цепь с распределенными параметрами, представленную без учета активных потерь в виде множества соединенных последовательно индуктивных и соединенных параллельно емкостных элементов или в виде эквивалентной П-образной схемы (рис. 2а), а также в виде скомпенсированной с помощью реакторов линии (рис. 2б).
На рис. 3 приведена кривая зависимости РМ от передаваемой активной некомпенсированной (а) и компенсированной (б) ВЛ 500 кВ длиной 400 км. Откуда следует, что передача АМ до натурального значения сопровождается генерацией линией РМ, а свыше Р_нат – ее потреблением. Значения зарядной мощности Q0 линии на холостом ходу (Р = 0) для разных напряжений даны в табл. 3.
Подключение ЭС к ЛЭП требует от генераторов потребления этой реактивной мощности, что невозможно осуществить из-за нагревов лобовых частей статоров. Поэтому зарядную мощность линий компенсируют реакторами. Номинальный cos . синхронных генераторов средней мощности определяется величиной 0,85, а уменьшение нагрузки генераторов сопровождается увеличением их напряжений.
В идеальном случае с точки зрения минимальных потерь электроэнергии в системе «ЭС – ЛЭП – П» необходимо создать такие условия, чтобы генераторы станции работали с номинальным cosj, переток дополнительной по линии РМ отсутствовал, а потребители работали с cosj = 1 без потребления РМ.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ 220–750 кВ

В системообразующих электрических сетях и межсистемных электрических связях режимы работы по РМ зависят от согласования характеристик трех основных элементов энергосистемы: станция (ЭС), линия электропередачи (ЛЭП) и потребитель (П).
ЛЭП можно рассматривать как цепь с распределенными параметрами, представленную без учета активных потерь в виде множества соединенных последовательно индуктивных и соединенных параллельно емкостных элементов или в виде эквивалентной П-образной схемы (рис. 2а), а также в виде скомпенсированной с помощью реакторов линии (рис. 2б).
На рис. 3 приведена кривая зависимости РМ от передаваемой активной некомпенсированной (а) и компенсированной (б) ВЛ 500 кВ длиной 400 км. Откуда следует, что передача АМ до натурального значения сопровождается генерацией линией РМ, а свыше Р_нат – ее потреблением. Значения зарядной мощности Q₀ линии на холостом ходу (Р = 0) для разных напряжений даны в табл. 3.
Подключение ЭС к ЛЭП требует от генераторов потребления этой реактивной мощности, что невозможно осуществить из-за нагревов лобовых частей статоров. Поэтому зарядную мощность линий компенсируют реакторами. Номинальный cosj синхронных генераторов средней мощности определяется величиной 0,85, а уменьшение нагрузки генераторов сопровождается увеличением их напряжений.
В идеальном случае с точки зрения минимальных потерь электроэнергии в системе «ЭС – ЛЭП – П» необходимо создать такие условия, чтобы генераторы станции работали с номинальным cosj, переток дополнительной по линии РМ отсутствовал, а потребители работали с cosj = 1 без потребления РМ.

Для европейской части электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС» характерны длины линий, например 500 кВ, не более 300 км (j = 18O). Для реальных загрузок компенсированных ЛЭП до 0,5 Р_нат коэффициент мощности cosj линий определится величиной 0,99 (рис. 4), что не соответствует номинальному cosj генераторов.
Увеличением напряжения на шинах ЭС на 10% по сравнению с напряжением в конце ЛЭП длиной 300 км cosj линии можно снизить до 0,866, приемлемого для генераторов станций. При этом дополнительная РМ по линии по сравнению с режимом равенства U₁ и U₂ увеличится до 0,32 Р_нат, которая вызовет дополнительные потери на данном участке величиной 2,8 МВт, или согласно стоимости электроэнергии около 0,5 млн долл. в год. Отрицательные последствия такого неоптимального режима ЛЭП: дополнительные существенные потери электроэнергии; увеличение РМ в балансе электрических сетей, требующее покрытия; увеличение напряжения в электрических сетях, снижающее надежность работы оборудования.
Выход – увеличение станциями потребления РМ на своих шинах до нужного генераторам cosj путем установки за счет станций дополнительных шунтирующих реакторов (ШР), асинхронизированных генераторов или компенсаторов.
Очевидным становится факт, что в такой концентрированной электрической сети регулирование напряжения осуществляется на генераторах станций, а вопрос установки управляемых источников РМ (управляемых шунтирующих реакторов – УШР, статических компенсаторов РМ) требует технико-экономического обоснования.
Другая картина в электрических сетях ОЭС Урала, Сибири и Востока, в которых длины линий достигают 1000 км с промежуточным отбором мощности. Эффективность подключения в середине линии ШР и статических тиристорных компенсаторов (СТК) показана в табл. 4.
В отличие от УШР, СТК позволяет передавать по линии активную мощность выше натурального значения.

Статические компенсирующие устройства

Учитывая стоимость строительства ВЛ, возрастает актуальность максимального использования линий электропередачи путем повышения их пропускной способности за счет применения новых технических средств компенсации РМ. Переход от нерегулируемых шунтирующих реакторов ШР к управляемым УШР, а далее к СТК даёт возможность существенно увеличить передаваемую по линии мощность сверх натурального значения Р_нат.
До сих пор основными средствами компенсации РМ в электрических сетях 110–750 кВ являлись (рис. 5):

• нерегулируемые масляные ШР, которые, как правило, устанавливаются на ЛЭП и выполняют несколько функций (компенсация зарядной мощности незагруженных линий, снижение перенапряжений, гашение дуги в паузе ОАПВ). Однако ограниченный коммутационный ресурс выключателей и большая мощность коммутируемой ступени снижают эффективность применения ШР при изменениях передаваемой мощности по ЛЭП;
• синхронные компенсаторы (СК) мощностью 50, 100 и 160 МВАр, подключаемые к третичным обмоткам автотрансформаторов 220, 330 и 500 кВ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИРМ

МЭС Северо-Запада

• включение или отключение одной группы реакторов приводит к изменению напряжения на шинах 330 кВ ПС «Новосокольники» (фото 1) до 1,1% (3,9 кВ), на шинах 110 кВ до 1,8% (2,1 кВ), на шинах 10 кВ до практически номинального значения 10,5 кВ вместо 11,4 кВ без реакторов;
• включение или отключение двух групп реакторов удваивает эффект до 7,8 кВ на шинах 330 кВ;
• эффективность регулирования напряжения на шинах 330 кВ возрастает на 30% при соответствующей координации положения устройств РПН АТ. При этом достигается полное (до 60 М_вар двумя группами реакторов) потребление РМ из сети 330 кВ, не менее 60% которой загружает генераторы Псковской ГРЭС;
• при включенных реакторах Р1 и Р2 на ПС «Новосокольники» и ШР1 на ПС Псковской ГРЭС обеспечивается режим работы турбогенераторов ГРЭС по РМ, близкий к нулевому значению (ночью прием до 10–15 МВАр, днём выдача 10–12 МВАр), а напряжение на шинах 330 кВ не выше 355 кВ при допустимом 363 кВ;
• применение двух групп реакторов обеспечивает ступенчатость регулирования напряжения с достаточно малой дискретностью (0, 30, 60 МВАр), что совместно с генераторами ПскГРЭС обеспечивает плавное регулирование потоков РМ и поддержание стабильного напряжения при достаточно глубоких изменениях загрузки сети по активной мощности;
• достижение проектной эффективности сухих компенсирующих реакторов нового типа РКОС – 9900/10, подключаемых к обмотке НН автотрансформаторов.

• установка РКОС проводится с минимальным объемом трудовых, финансовых и временных затрат. Пофазный монтаж реакторов при их весе около 3 т, диаметре 2,2 м и высоте 2,2 м с изоляторами выполнен на бетонных стойках на высоте 2,5 м без установки ограждений;
• отсутствует вспомогательное хозяйство, свойственное масляным реакторам (маслосборные сооружения, система охлаждения, система пожаротушения и т.д.);
• конструкция реакторов является малообслуживаемой;
• потери холостого хода (при отключенном положении реакторов) равны нулю;
• обеспечивающие функции регулирования реактивной мощности вакуумно-реакторные группы более чем в 2 раза дешевле управляемых шунтирующих реакторов с учетом общих капвложений.

МЭС Востока

В соответствии с программой, согласованной ОДУ Востока с «Амурэнерго», персонал МЭС Востока провел эксплуатационные испытания компенсирующих реакторов РКОС 4 . 9900/10 кВ на ПС «Амурская» (фото 2). Измерялись реактивные мощности групп реакторов при их различных комбинациях, напряжения на шинах 500, 220 и 11 кВ, загрузки линий и АТ. Передаваемые по ВЛ активные мощности не превышали 50% натурального значения, а загрузка АТ не превышала 25% номинальной мощности. При включенных Р1 – Р3 и различных комбинациях РКОС напряжение на шинах 500 кВ находилось в пределах 506–513 кВ, а на шинах 220 кВ в пределах 237–241 кВ. Включение и отключение одной группы РКОС (30 МВА) приводит к изменению напряжения на шинах 500 кВ на 3 кВ и на шинах 220 кВ – на 1 кВ.
Из анализа полученных результатов следует:

• замена ШР 500 кВ, 180 МВАр (например, при выводе в ремонт) на РКОС 4 x 30 = 120 МВАр, подключенные к обмоткам НН АТ, приводит к некоторому увеличению напряжения на шинах 500 кВ с одновременным улучшением уровней напряжений на шинах СН и НН. При увеличении мощности РКОС со 120 МВАр до 180 МВАр (6 x 30 МВАр или 4 x 45) напряжения на соответствующих шинах составят 516 кВ, 239 кВ и 10 кВ, что характеризует более высокую эффективность подключения РКОС к обмоткам НН АТ по сравнению с подключением ШР к шинам 500 кВ;
• ступень в 30 МВАр, изменяя напряжение на шинах 500 кВ на 0,6%, вполне достаточна для регулирования напряжения.

МЭС Центра

Проведенный ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» мониторинг уровней напряжения на шинах 500 кВ ПС «Балашовская» в процессе включения групп 4 . 45 МВАр ступенчато-управляемого шунтирующего реактора (фото 3) показал, что снижение напряжения при включении каждой группы составило около 3 кВ, а при включении всех групп – 12 кВ. После ввода в работу данного устройства в начале января 2007 г. до настоящего времени не зафиксированы случаи превышения наибольшего рабочего напряжения на шинах 500 кВ подстанции. Кроме того, ввод в работу сухих реакторов 4 . 45 МВАр дал возможность на настоящий момент отказаться от проведения мероприятия, связанного с выводом в резерв ВЛ 500 кВ «Балашовская – Восточная» для нормализации уровней напряжения, что существенно повысило надежность параллельной работы Волгоградской энергосистемы и ОЭС Юга в составе ЕЭС России.

МЭС Сибири

В соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» № 488 от 19.09.2003 «О программе создания управляемых линий и оборудования для них», на ПС 500 кВ «Ново-Анжерская» МЭС Сибири в 2004 г. введен в опытно-промышленную эксплуатацию пилотный образец СТК 100 МВАр (фото 4), предназначенный для замены выработавшего ресурс синхронного компенсатора. Компенсатор разработан, изготовлен и введен в работу НПЦ «Энерком-Сервис» совместно с ВНИИЭ при участии заводов «Трансформатор», «КВАР» и института «Томскэнергосетьпроект». После периода опытно-промышленной эксплуатации и полномасштабных системных испытаний СТК приказом ОАО «ФСК ЕЭС» №146 от 18.05.2006 принят в промышленную эксплуатацию.
Отметим, что СТК предназначен для:

• плавного и быстродействующего регулирования напряжения и реактивной мощности с целью повышения пропускной способности и устойчивости электропередачи;
• уменьшения потерь в линиях электропередачи.

МОЭСК

Проведенный анализ балансов реактивной мощности в сетях 110 кВ Московского региона показал необходимость установки дополнительных компенсирующих устройств в период до 2015 г. В связи с этим НПЦ «Энерком-Сервис» в 2006 г. установил в ОАО МОЭСК на трех ПС 110 кВ: «Можайская» (фото 5), «Слобода» и «Кубинка» шесть конденсаторных батарей 110 кВ, 50 МВАр, суммарной мощностью 300 МВАр. В 2007 г. намечается дополнительный ввод конденсаторных батарей на пяти ПС МОЭСК, а в 2008 году – СТК.

ВЫВОДЫ

1. Подключение источников реактивной мощности к третичной обмотке автотрансформаторов оптимальным образом влияет на уровни напряжений на шинах ВН, СН и НН.
2. Применение в качестве источников реактивной мощности статических тиристорных компенсаторов позволяет осуществить их поэтапный ввод с учетом увеличения нагрузок электрических сетей.
3. В слабозагруженных электрических сетях на первом этапе предлагается использовать сухие компенсирующие реакторы, коммутируемые вакуумными выключателями, которые в последующем по мере роста нагрузок могут быть дополнены до схемы СТК конденсаторными батареями и тиристорными вентилями.
4. Подключение реакторной нагрузки к обмоткам НН АТ дает возможность применить вакуумные выключатели с большим коммутационным ресурсом для суточного ведения режима по реактивной мощности путем ее ступенчатого изменения.
5. Проведенные испытания сухих реакторов на ПС 330 кВ «Новосокольники» (2 . 30 МВАр) МЭС Северо-Запада и ПС 500 кВ «Амурская» (4 . 30 МВАр) МЭС Востока показали их высокую эффективность при меньших финансовых затратах по сравнению с традиционными компенсирующими устройствами (ШР и УШР).
6. Полученный опыт разработки, изготовления, комплектной поставки и внедрения рассмотренных выше различных установок дает основание для решения вопроса компенсации реактивной мощности в электрических сетях ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО-энерго (Иркутскэнерго, Тюменьэнерго, Кубаньэнерго, МОЭСК, Рязаньэнерго и др.) с применением отечественного оборудования.