УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР НА ИГНАЛИНСКОЙ АЭС

ВВОД В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

В августе 2008 года на открытом распределительном устройстве 330 кВИ гналинской атом- ной электростанции в Литве были завершены работы по сетевым испытаниям и вводу в эксплуатацию управляемого шунтирующего реактора напряжением 330 кВ мощностью 180 МВА р. Новые схемные, конструктивные и технологические решения позволили получить наилучшие характеристики для данного типа реакторов в части быстродействия, уровня шума и потерь, состава высших гармоник, резервирования системы подмагничивания, дистанционного контроля и управления.
В статье группы авторов из нескольких стран приведены результаты реализации этого международного проекта, описание управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора и его основные характеристики, полученные в ходе сетевых приемосдаточных испытаний.

Андрей Долгополов, д.т.н., Нариман Ахметжанов, Денис Кондратенко, Юрий Соколов, Россия
Михаил Райченко, Сергей Уколов, Украина
Антон Богатко, Александр Горбач, Литва

ПРОБЛЕМА

Открытое распределительное устройство (ОРУ) 330 кВ Игналинской атомной электростанции (ИАЭС) является узловым распределительным пунктом Литовской энергосистемы, которая входит в объединенную энергосистему (ОЭС) Северо-Запада. Через шесть ВЛ 330 кВ (одна из которых в габаритах 750 кВ), подключенных к шинам ОРУ, осуществляется связь с энергосистемами Литвы, Латвии и Белоруссии.
Обеспечение допустимых уровней напряжения и его стабилизация в узловых точках энергосистемы является одной из приоритетных задач в обеспечении надежности работы оборудования и стабильности системы. В настоящее время поддержание заданных уровней напряжения в сети 330 кВ вызывает немало проблем из-за ограниченности выбора инструментов регулирования. Из-за избытка реактивной мощности, генерируемой линиями электропередачи, приходится искать средства для ограничения уровней напряжения во время суточного и летнего минимумов, когда избыток реактивной мощности в Игналинском энергоузле достигает 500 МВАр.
В настоящее время уровни реактивной мощности и напряжения в Игналинском узле регулируются с помощью двух турбогенераторов (ТГ-3, ТГ-4) ИАЭС, которые по этой причине работают в режиме недовозбуждения и могут потреблять до 280 МВАр. Величина потребления генераторами реактивной мощности ограничивается условиями устойчивости энергосистемы и обычно не превышает 150 МВАр. Этот режим является допустимым, но не нормальным для генераторов.
Во время ремонтов единственного работающего второго энергоблока ИАЭС приходится включать в работу в режиме синхронных компенсаторов гидрогенераторы на Плявинской ГЭС на реке Даугава или регулировать перетоки реактивной мощности между энергосистемами Литвы, Латвии и Белоруссии с помощью диспетчерских средств.
В соответствии с международными соглашениями одним из условий входа Республики Литва в Европейское сообщество является закрытие Игналинской атомной электростанции не позднее конца 2009 года с последующим возможным строительством на ее площадке новых энергоблоков. При этом в течение не менее 7–10 лет ОРУ 330 кВ остается без регулируемых средств компенсации реактивной мощности, которая генерируется вышеуказанными линиями передачи в минимумах нагрузки приводит к недопустимым превышениям рабочих напряжений.

КОНКУРС

• проектирование установки УШР – литовским Институтом энергетических сетей при содействии белорусского «Энергосетьпроекта»;
• поставка оборудования, строительно-монтажные и наладочные работы – ЗАО «Экобана» с участием ряда подрядных организаций;
• строительно-монтажные и электромонтажные работы – ЗАО «Вилстата», ЗАО «Каунасэнергоремонт» и ЗАО «Гидроэлектромонтаж» (Литва);
• монтажно-наладочные работы устройств РЗА – ЗАО «Эльдермонта» и ЗАО «Гидроэлектромонтаж» (Литва);
• изготовление и поставка первичного электротехнического оборудования, устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) – Siemens (Германия);
• разработка и поставка программного обеспечения для системы телеуправления, телесигнализации и передачи данных, монтаж, наладка и ввод в работу этой системы – ЗАО «Сигма Телас» (Литва);
• изготовление и поставка оборудования УШР – ОАО «Запорожтрансформатор» (Украина) совместно с ООО «Энергия-Т» (Россия);
• инженерное сопровождение проектирования, изготовления, наладки, сетевых испытаний и ввода в эксплуатацию УШР – ОАО «Электрические управляемые реакторы» (Россия).

ОПИСАНИЕ РЕАКТОРА

Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы напряжением 110–500 кВ серийно изготавливаются и поставляются уже в течение 10 лет, за которые было введено в эксплуатацию более 30 УШР напряжением 110–500 кВ различной мощности, в том числе три реактора напряжением 330 кВ в ОЭС Северо-Запада. Во всех типоисполнениях реакторов серии РТУ плавное изменение потребляемой реактивной мощности от холостого хода до номинальной (или допустимой перегрузки) обеспечивается за счет насыщения стержней магнитной системы электромагнитной части реактора выпрямленным током обмотки управления, регулируемым тиристорными преобразователями системы подмагничивания [1]. По мере нарастания тока обмотки управления и вытеснения переменного потока за перегиб характеристики стали в область насыщения практически линейно снижается индуктивное сопротивление сетевой обмотки и возрастает потребляемый ею ток и реактивная мощность.
Для повышения быстродействия реакторов при больших отклонениях напряжения сети от заданного значения используются форсированные режимы набора или сброса мощности с приложением максимального напряжения к обмотке управления. Для снижения коммутационных воздействий на преобразователи и безынерционного набора номинальной мощности при включении (последнее особенно важно в случае работы УШР в качестве линейного реактора) применяется предварительное подмагничивание магнитной системы от внешнего источника.
Мощность системы подмагничивания в зависимости от напряжения реактора и состава оборудования составляет от 0,5 до 2% его номинальной мощности. При этом все силовые элементы, включая преобразователи, выпускаются в маслонаполненном исполнении наружной установки и не требуют дополнительного обслуживания.
По конструкции, технологии изготовления обмоток, магнитной системы, системы охлаждения, монтажу и обслуживанию электромагнитная часть реактора аналогична силовому трансформатору. Однако в УШР отсутствуют сквозные токи нагрузки, поскольку по мере насыщения магнитопровода потребляемый ток растет только в первичной сетевой обмотке. Как следствие повышенного напряжения КЗ между сетевой и вторичной компенсационной обмоткой (более 50%) и «полупредельного» насыщения стержней магнитной системы в номинальном режиме, управляемые подмагничиванием реакторы имеют существенно меньшие значения (не более 2-кратных номинальных) сквозных токов внешних КЗ и бросков токов включения.
Удельные массогабаритные и стоимостные показатели управляемых подмагничиванием реакторов заметно уступают неуправляемым ШР (последние имеют в 2–3 раза меньшую массу по сравнению с УШР пофазного исполнения), однако плавнорегулируемые реакторы имеют несомненные преимущества в функциональных возможностях. В то же время управляемые реакторы в 1,5–2 раза дешевле СТК, при этом могут подключаться непосредственно к сети любого напряжения и не требуют особых условий исполнения или эксплуатации.
Оценка эффективности УШР в каждом конкретном случае требует выполнения режимных расчетов с учетом его влияния на перетоки реактивной мощности, минимизацию потерь, стабилизацию напряжения, статическую и динамическую устойчивость.
В первом приближении степень возможного влияния управляемого реактора на уровень напряжения в точке подключения можно оценить по соотношению номинального тока реактора и тока трехфазного КЗ в месте его подключения. Так, например, в данном случае при уровне токов КЗ на шинах ОРУ 330 ИАЭС порядка 10 кА и номинальном токе реактора 300 А напряжение на шинах в результате набора мощности реактором от холостого хода до номинальной снижается на 3%, или на 10 кВ.
При подключении параллельно УШР либо на его вторичную обмотку конденсаторной батареи такой комплекс аналогично синхронному компенсатору или СТК может не только потреблять, но и выдавать требуемую по режиму энергосистемы реактивную мощность.
Коммутационная аппаратура для управляемых реакторов выбирается по аналогии с таковой для силовых трансформаторов и неуправляемых ШР. Релейная защита и автоматика имеет свои особенности, но также базируется на типовых решениях и терминалах РЗА [2].
Таким образом, можно констатировать, что управляемый подмагничиванием реактор по принципу действия является магнитным усилителем, по исполнению электромагнитной части – трехобмоточным трансформатором, а по назначению и функциональным возможностям – управляемым компенсатором реактивной мощности и стабилизатором напряжения в точке подключения.

ОСОБЕНОСТИ РЕАКТОРА

• условиями международного тендера и последующего контракта были повышенные требования в части быстродействия, гармонического состава потребляемого тока, уровня шума и потерь, дистанционного контроля и управления;
• режимы работы реактора при наличии работающих в одном узле генераторов ИАЭС и при их выводе из работы существенно различаются, в том числе по алгоритмам управления, быстродействию, возможному уровню гармоник в токе реактора и напряжении сети.

• исполнение магнитной системы с применением приставных ярем для снижения потоков рассеяния и использованием высококачественной электротехнической стали, наряду с улучшенной опрессовкой обмоток и применением выносной системы охлаждения, привело к существенному снижению потерь, шума и вибрации;
• включение в состав оборудования фильтра высших гармоник снизило уровень максимальных искажений в токе реактора с 3,5 до 2% и расширило регулировочный диапазон на 18 МВАр в сторону выдачи реактивной мощности в сеть;
• вместо обычного для УШР напряжением 220–330 кВ состава оборудования (электромагнитная часть, система управления, основной и резервный ТМП-1000/10/0,4) в данном случае система подмагничивания с целью обеспечения требований повышенного быстродействия и резервирования содержит четыре ТМП, из них два ТМП-1000/10/0,4 подключены к выводам КО УШР, а два ТМП-1000/6/1,1 – к внешнему питанию от РУ 6 кВ;
• по стандартным протоколам обмена САУ УШР связана с АСУ ТП ИАЭС и диспетчерским центром АО «Литувос Энергия», что позволяет обеспечивать как местное, так и дистанционное управление режимами и уставками УШР с контролем текущих параметров.

Второе обстоятельство предопределяет применение различных схем и режимов использования оборудования реактора со стороны компенсационной обмотки (основных и форсировочных ТМП, фильтра пятой гармоники) при работающих генераторах или без них. Главным образом это связано с тем, что при работающих генераторах для исключения конфликта регуляторов сильного действия турбогенераторов и регулятора САУ УШР их постоянные времени должны быть существенно различными, с приоритетом АРВ генераторов. В то же время условиями контракта задано минимальное время полного изменения мощности реактора 0,15 с. По режимным соображениям, как показали исследования кафедры «Электрические системы и сети» Санкт-Петербургского технического университета, вполне достаточным является быстродействие 0,3 с и дальнейшее снижение постоянной времени регулирования УШР нецелесообразно.
Эти противоречивые требования наряду с резервированием обеспечивает принятая схема подмагничивания с двумя ТМП на КО (любой из них может быть основным, другой – резервным) и двумя форсировочными ТМП с питанием от сети 6 кВ. Максимальное быстродействие изменения мощности за 0,15 с обеспечивается двумя последовательно соединенными преобразователями форсировочных ТМП-1000/6/1,1 с суммарным приложенным к обмотке управления УШР наибольшим выпрямленным напряжением 2970 В. При использовании одного форсировочного ТМП время набора или сброса мощности (форсировки и расфорсировки УШР) увеличивается вдвое, до 0,3 с. При работающих турбогенераторах форсировочные ТМП не применяются (один из них используется только для предварительного подмагничивания электромагнитной части при подключении реактора к сети 330 кВ выключателем), а основной ТМП с максимальным выпрямленным напряжением 560 В обеспечивает минимальное время регулирования 1,2 с, как это задано картой уставок АО «Летувос Энергия».

ВВОД В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

Сетевые приемосдаточные испытания УШР проводились в два этапа: основной объем проверок – в апреле-мае 2008 г. с работающими турбогенераторами ИАЭС, и заключительный этап – в августе, при выводе блока станции в текущий ремонт. В заключительных испытаниях без ТГ были выполнены следующие работы:

• Проверка регулировочных характеристик УШР с фильтром и настройка фильтра высших гармоник при отключенных турбогенераторах ТГ-3, ТГ-4;
• Проверка работы УШР в режиме стабилизации напряжения с регистрацией суточных графиков мощности реактора и напряжения сети;
• Проверка динамических режимов и испытания при форсированном наборе и сбросе мощности реактора за 0,3 с с использованием одного форсировочного ТМП;
• Испытания динамического режима набора и сброса мощности реактора за 0,15 с при последовательном соединении двух преобразователей форсировочных ТМП;
• Проверка дистанционного управления режимами работы и уставками регулирования;
• Настройка выбранного для эксплуатации режима работы реактора.

Характеристики трехфазного управляемого реактора РТУ- 180000/330, подтвержденные в ходе заводских и сетевых испытаний, приведены в табл. 1.
Окончательная стоимость объекта – свыше 10 млн евро. Для реализации проекта около действующего ОРУ 330 кВ были достроены две новые ячейки, в которых по аналогии с существующим ОРУ было установлено оборудование по схеме 3/4 (рис. 5). Две системы жестких шин через разъединители пантографного типа и элегазовые выключатели могут быть подключены к общей ошиновке реактора, от которой через линейный разъединитель питается сам УШР. На площадке УШР установлены: бак аварийного слива масла емкостью 250 м3, система автоматического водяного пожаротушения, закрытое распределительное устройство 6–10 кВ с вакуумными выключателями в модульном здании, фильтр высших гармоник, 4 комплекта блоков трансформаторов с преобразователями (рис. 6). Для контроля температуры и качества масла – уровня влаго- и газодержания установлен прибор HYDRAN, который выдает сигнал при достижении одним из параметров масла предельного значения. На рис. 7 приведена схема подключения УШР (с элементами САУ и системы подмагничивания) к двойной системе шин ОРУ 330 кВ Игналинской АЭС, работающих параллельно для всех присоединений 330 кВ в нормальных режимах.

Выводы

Сетевые испытания и первые месяцы промышленной эксплуатации показали соответствие реактора заданным контрактом техническим характеристикам и режимным требованиям. Реактор обеспечивает автоматическое поддержание заданных уставок в режимах автоматической стабилизации напряжения и реактивной мощности.
Управляемые подмагничиванием реакторы являются эффективным средством компенсации реактивной мощности, стабилизации напряжения, снижения потерь и количества коммутаций выключателей и РПН в сетях с переменным графиком нагрузки, повышения пропускной способности протяженных линий электропередач, разгрузки ТГ от потребления реактивной мощности.

Технико-экономические преимущества УШР по сравнению с оборудованием аналогичного назначения (СК, СТК) заключаются в меньших затратах на изготовление и эксплуатацию, в возможности прямого подключения непосредственно к линии или к шинам подстанции любого класса напряжения.

Литература

1. Управляемые электрические реакторы // Электротехника. – 2003. – № 1 (тематический выпуск).
2. Долгополов А.Г. Релейная защита управляемых подмагничивани- ем шунтирующих реакторов // Электрические станции. – 2006. – № 12.