Небольшие габариты, мощность и стоимость системы подмагничивания управляемых шунтирующих реакторов (УШР) серии РТУ (реактор трехфазный управляемый) являются существенными преимуществами этого оборудования по сравнению с реакторами трансформаторного типа (УШРТ) или СТК.
Статья московских авторов отражает опыт сетевых испытаний, эксплуатации и теоретических исследований коммутационных режимов УШР. Ее задача – анализ возможных максимальных воздействий на преобразователи ТМП (трансформатор масляный с преобразователем) при коммутациях УШР различного напряжения и схемотехнического исполнения, а также соответствующих защитных устройств.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ РЕАКТОРЫ
Воздействия на тиристорные преобразователи при коммутациях УШР

Андрей Долгополов, д.т.н.
Денис Кондратенко, инженер
ОАО «ЭЛУР», г. Москва

Прямым следствием небольшого рабочего напряжения сравнительно маломощных ТМП является опасность коммутационных воздействий со стороны электромагнитной части реактора на тиристоры преобразователей, а также более низкая по сравнению со статическим тиристорным компенсатором (СТК) или УШРТ [1, 2] скорость возможного изменения текущей нагрузки УШР под воздействием регулятора системы автоматического управления (САУ) – диапазон эквивалентной постоянной времени регулирования от 0,1 до 1 с (в зависимости от мощности и выходного напряжения ТМП).

Для решения этих проблем тиристорные преобразователи имеют защитные устройства (демпфирующие цепи, динисторную защиту, ОПН) и уровень максимального выходного напряжения, достаточный для заданной скорости форсировки и расфорсировки тока подмагничивания. Кроме того, в коммутационных режимах включения и АПВ САУ обеспечивает предварительное «поддерживающее» подмагничивание реактора током не менее 10% номинального тока обмотки управления (ОУ). Это исключает коммутационные воздействия на тиристоры ТМП (поскольку ОУ обтекается током в момент коммутации) и одновременно обеспечивает безынерционый набор номинальной мощности при включении (что важно, например, при опробовании холостой линии напряжением 330–750 кВ с линейными УШР).

Кроме исключения коммутационных воздействий и обеспечения безынерционного набора мощности, предварительное подмагничивание обеспечивает полный автоматический контроль системы управления и силовой схемы системы подмагничивания реактора перед его включением в сеть, поскольку САУ выдает разрешающий сигнал на оперативное включение выключателя только при наличии заданного значения тока в обмотке управления. Указанный ток от преобразователя ТМП может быть обеспечен при условии полностью исправной и правильно подготовленной к включению системы подмагничивания (схема собрана, есть питание САУ и преобразователей, имеется напряжение синхронизации, выбран нужный режим регулирования и т.д., в результате чего от ТМП и подается на выводы ОУ требуемое напряжение подмагничивания).

Меры защиты преобразователей ТМП в различных режимах эксплуатации рассмотрены в [3], где указывается, что энергия и величина коммутационного воздействия главным образом зависят от остаточного намагничивания полустержней магнитопровода, а также от мощности реактора, величины шунтирующих его ОУ сопротивлений и характера коммутации. Например, энергия коммутационного воздействия будет максимальна при АПВ с минимальной паузой и УШР с номинальной нагрузкой в предшествующем режиме (максимальная остаточная индукция) или при опробовании длинной холостой линии сверхвысокого напряжения (СВН) с УШР на противоположном конце ВЛ (максимальное напряжение на линии и на линейном УШР при включении).

При этом подразумевается полное отсутствие проводимости преобразователей всех ТМП при восстановлении напряжения, что практически исключено. Если в указанных коммутациях сохраняется ток в ОУ либо основная или шунтирующая ветвь преобразователя будет в проводящем состоянии, то выделение энергии в ОПН или шунтирующем сопротивлении будет минимальным или даже нулевым и в таких режимах.

В настоящей статье, на основе исследования коммутационных режимов УШР при сетевых испытаниях и соответствующих расчетов в программе NRAST, более подробно рассматривается влияние различных факторов на величину коммутационных перенапряжений на выводах обмотки управления и ТМП, режимы и предельные величины практически возможных воздействий, а также меры по исключению опасных воздействий на преобразователи и рекомендации по координации их защитных устройств.

Указанная программа, разработанная в СПбГПУ для моделирования схем с нелинейными элементами произвольной конфигурации, более 10 лет успешно используется для исследования установившихся, переходных и коммутационных режимов УШР с подмагничиванием различного напряжения и схемного исполнения. Неоднократные сравнения результатов моделирования процессов в программе NRAST с данными фактических испытаний и с результатами моделирования в других программах показали высокую сходимость вычислений и точность расчетов. В частности, для рассматриваемых в статье коммутационных режимов результаты проверялись и сравнивались с расчетами в программах MatLab и EMTP, выполненных на кафедре «Электрические системы и сети» СПбГПУ.

Следует заметить, что при моделировании коммутационных и переходных процессов в указанных программах не учитывались явления гистерезиса стали магнитопровода, а также емкостные параметры обмоток реактора. Влияние гистерезиса для практически применяемых сортов стали не оказывает существенного воздействия на основные параметры рассматриваемых процессов. Емкостные параметры обмоток реактора, в том числе межобмоточные емкости, также не оказывают существенного влияния на величину и энергетику коммутационных воздействий. Это дополнительно гарантируется наличием в УШР заземленного электростатического экрана между первичной и вторичными обмотками. Поэтому указанные упрощения электромагнитных моделей УШР вполне оправданы.

ПРОЦЕССЫ В ТРЕХОБМОТОЧНЫХ РЕАКТОРАХ

Вначале рассмотрим коммутационные режимы трехобмоточного УШР напряжением 220–500 кВ, схема которого приведена на рис. 1. Величина встроенного шунтирующего ОУ сопротивления для этих УШР серии РТУ составляет 21 Ом (с выводом из середины) для электромагнитной части трехфазного исполнения, а в случае однофазного исполнения – втрое ниже, или 7 Ом, поскольку в каждой фазе электромагнитной части типа РОДУ (реактор однофазный, охлаждение Д, управляемый) есть такое же сопротивление, встроенное внутрь бака.

Рис. 1. а) Электро магнитная схема УШР с трехфазными тиристорными преобразователями основного и резервного ТМП-1000/10/0,4 (выделены пунктиром);
б) Схема преобразователя и его защитных цепей

а)

б)

Силовая часть системы подмагничивания таких УШР включает два одинаковых ТМП мощностью 1 МВА, состоящих из расположенных на одной раме в двух маслонаполненных баках питающего трансформатора ТМ-1000/10/0,4 и трехфазного тиристорного выпрямителя-инвертора по «схеме Ларионова» с шунтирующей ветвью. В схеме преобразователя (рис. 1б) имеется также отсекающий диод, исключающий работу двух ТМП «друг на друга». Основной ТМП подключается к собственной вторичной компенсационной обмотке (КО) реактора напряжением 10 кВ, а резервный – к РУ подстанции. Наряду с резервированием последний обеспечивает также предварительное подмагничивание реактора перед включением в сеть и в циклах АПВ.

Реакторы 500 кВ и выше для повышения быстродействия форсированного набора или сброса мощности имеют в своем составе третий ТМП – динамический или форсировочный, имеющий повышенное до 1,5 кВ максимальное выпрямленное напряжение по сравнению с 540 В для рабочего и резервного ТМП.
Кроме того, они комплектуются энергоемким ОПН наружного исполнения (на схеме не показан), устанавливаемым между полюсами ошиновки от выводов ОУ до выводов преобразователей ТМП.

Как указано выше, уровень коммутационного воздействия на тиристоры ТМП при включении реактора или при ТАПВ воздушной линии с УШР в первую очередь определяется остаточным намагничиванием полустержней магнитопровода после отключения реактора. Если реактор отключался при номинальной нагрузке, то при короткой паузе цикла ТАПВ индукция полустержней останется близкой к номинальной – около 2 Тл и при появлении сетевого напряжения возникнет «принужденный» номинальный режим с номинальным током в обмотке управления, на который накладывается свободная переменная составляющая. Для линейного реактора при опробовании или ТАПВ холостой длинной линии дополнительным отягощающим фактором является напряжение на линии, которое ограничивается линейными ОПН и собственно реактором и теоретически при коммутации может достигать 1,5–2 номинального.

Если предположить, что при повторном появлении напряжения на УШР обмотка управления разомкнута (преобразователи ТМП с их шунтирующими ветвями полностью потеряли проводимость), то вся энергия обмотки управления должна выделиться и будет погашена на шунтирующем ее сопротивлении (если нет и ОПН).

Практически это невозможно, поскольку шунтирующие ветви сразу двух ТМП всегда находятся в проводящем состоянии, тем более с предшествующей номинальной нагрузкой реактора. Даже если они потеряли управление, какая-то тиристорная цепь преобразователя включится по динисторной защите либо будет шунтирована ОПН.

Поэтому полная энергия обмотки может быть выделена на шунтирующем резисторе только при теоретических ситуациях: отключение из номинального режима с немедленным разрывом цепей подмагничивания с повторным включением реактора или предварительное подмагничивание и отключение ТМП с последующим незамедлительным включением реактора с разомкнутой обмоткой управления.

В таких случаях энергия на резисторе будет близка к полной расчетной энергии обмотки в номинальном режиме [3] (L_ном · I_ном² / 2 = 96 кДж) или даже выше при перегрузке по току до 20%, а также при повышенном напряжении на линии при ее включении с линейным УШР.

Эта энергия может быть выше еще в 2–3 раза, если ток ОУ, возникающий при коммутации, будет соответственно больше в 1,4–1,7 раза вследствие наложения всех возможных факторов: предшествующей перегрузки реактора, повышенного напряжения на включаемой линии и наличия в составе тока ОУ наряду с принужденным выпрямленным током свободных переменных составляющих.

С некоторым запасом следует на эту же величину выбирать и энергоемкий ОПН на выводах ОУ, поскольку при уровне ограничения порядка 2–3 кВ он примет на себя до 90% импульсного коммутационного воздействия, остальное перераспределится в резистор.

Реальным возможным воздействием на ОПН (шунтирующий резистор) является случай неуспешного ТАПВ с предшествующей значительной нагрузкой реактора (когда остаточное намагничивание полустержней может оставаться на уровне порядка 0,5 Тл) и последующее опробование линии (с повышенным уровнем напряжения) при отсутствии предварительного подмагничивания в линейном УШР (например, отсутствие питания САУ и преобразователей ТМП при подаче напряжения на реактор).

Если реактор отключался в режиме холостого хода с некоторым временем перемагничивания переменным потоком (что, как правило, и бывает при оперативных отключениях), то остаточного намагничивания в магнитопроводе нет, а значит, нет и энергии коммутационного воздействия. Ведь фактической причиной появления коммутационных перенапряжений на выводах обмотки управления является запасенная в магнитопроводе энергия, соответствующая остаточной индукции стержней магнитопровода, которая затем при подаче переменного сетевого напряжения выражается в разности производных потоков (суммарной индукции) полустержней и соответствующей разности напряжений на выводах ОУ. Именно по этой причине измерения напряжений ОУ при включениях УШР на ПС «Мирадино» и ПС «Чита» показали только паразитные высокочастотные составляющие, поскольку остаточного намагничивания полустержней при включении реакторов в сеть не было [3].

Практически реактор отключается при нагрузках, близких к холостому ходу, когда индукция постоянного потока в полустержнях может достигать 0,1–0,5 Тл и при таких значениях сохраняться неограниченно долго. Соответственно и энергия коммутационного воздействия, даже при включении с линией на повышенное напряжение, будет в несколько раз меньше рассчитанных теоретически 100–200 кДж.

При отключении–включении УШР в коротком цикле ТАПВ с предшествующей максимальной нагрузкой реактора энергия коммутационного воздействия могла бы быть близкой к максимальной, однако в этом режиме все цепи – от тиристорных ветвей ТМП до динисторных защит и ОПН – готовы пропустить весь (или большую часть после включения) ток обмотки управления. Даже при срезе тока ОУ до нуля при отключении УШР (или ВЛ с УШР) выключателем со стороны ВН, тиристоры ТМП остаются в проводящем состоянии, поскольку через шунтирующий резистор продолжает протекать достаточный ток удержания более 1 А под воздействием приложенного напряжения предварительного подмагничивания.

Таким образом, теоретически возможная энергия коммутационного воздействия на преобразователи ТМП либо на ОПН (или на шунтирующий ОУ резистор) при включениях УШР или ТАПВ определяется величиной остаточного намагничивания полустержней и зависит, кроме того, от мощности реактора, величины шунтирующего резистора и от напряжения, прикладываемого к УШР при рассматриваемой коммутации. Как мощность УШР может быть больше номинальной при перегрузке, так и напряжение может быть выше номинального, например при включении реактора совместно с холостой длинной линией. Соответственно ток и энергия, запасенная в обмотке управления и выделяемая в шунтирующих либо защитных элементах, будут больше.

Практически вся эта энергия шунтируется ветвями ТМП или защитными устройствами. Расчеты в NRAST показывают, что для УШР 500 кВ при резисторе 21 Ом включение на номинальное напряжение с «остаточной» индукцией полустержней около 2 Тл и с разомкнутой ОУ приводит к выделению в шунтирующем резисторе около 100 кДж за время чуть больше 1 полупериода с максимальной амплитудой напряжения до 50–60 кВ. При снижении величины шунтирующего сопротивления до 2–3 Ом или менее процесс гашения энергии обмотки в этом сопротивлении затягивается до нескольких полупериодов (или нескольких секунд при полном шунтировании ОУ). Соответствующие осциллограммы коммутации с номинальной остаточной индукцией для УШР 500 кВ с шунтирующими резисторами 21 Ом, 7 Ом и 0,01 Ома приведены на рис. 2 а–в).

Рис. 2. Расчетные осциллограммы ТАПВ УШР-500 из предшествующего номинального режима:
а) с отключением ТМП и шунтирующим ОУ резистором величиной 21 Ом;
б) с шунтирующим резистором 7 Ом (для пофазного УШР);
в) с работающей шунтирующей ветвью ТМП (0,01 Ом).
Сверху вниз показаны осциллограммы: индукция полустержней, ток треугольника КО, ток фазы СО, напряжение на выводах ОУ (на резисторе или ТМП), ток подмагничивания, ток шунтирующего ОУ резистора. Масштабы явлений соответственно в Теслах, кА и кВ приведены в левом верхнем углу каждого окна (от осевой линии, например, от –4 до +4 Тл).

а)	б)
в)

На всех осциллограммах показаны явления в последовательном процессе выхода УШР на номинальный режим, отключения выключателя 500 кВ, разрыва цепи ОУ–ТМП и повторного включения выключателя, сопровождающегося перенапряжением.

В последнем случае (рис. 2в) разрыва цепи подмагничивания нет, отсутствует перенапряжение и напряжение подмагничивания от ТМП, поэтому энергия ОУ гасится на собственном сопротивлении обмотки и ее ошиновки. Длительное время процесса затухания токов в ОУ и СО (при отсутствии напряжения подмагничивания от ТМП) определяется высокой добротностью этих обмоток, то есть отношением индуктивного их сопротивления к активному (Х / r) или «естественной» постоянной времени обмоток реактора (L / r).
Реакторы меньшей мощности и напряжения будут иметь пропорционально меньшую энергетику коммутационных воздействий. Кроме того, для них, как правило шинных, маловероятно повышенное сверх номинального напряжение сети при включении.

ПРОЦЕССЫ В ДВУХОБМОТОЧНЫХ РЕАКТОРАХ

Еще более благоприятна ситуация при соответствующей коммутации УШР серии РТУ для распределительных сетей, поскольку они имеют совмещенную вторичную обмотку, выполняющую функции ОУ и КО трехобмоточных реакторов. Кроме того, их преобразователи выполнены однофазными (двухполупериодными) с шунтирующей диодной ветвью, которая, в отличие от тиристорной шунтирующей ветви трехфазных ТМП, включена всегда (даже при отсутствии напряжения питания САУ). А это означает, что возникающий при коммутации принужденный ток в обмотке управления всегда будет иметь путь замыкания помимо шунтирующего сопротивления.

Двухобмоточные реакторы напряжением 35–110 кВ имеют не только меньшую мощность (а значит, и максимально возможную энергию обмотки и воздействия), но и более низкое значение шунтирующего сопротивления – около 3,5 Ом. Например, для РТУ-25000/110 по сравнению с УШР-500 примерно в 7 раз меньше и мощность, и шунтирующее сопротивление, поэтому теоретически возможная энергия воздействия меньше в 7 раз, а напряжение воздействия – в 50 раз, или единицы киловольт вместо нескольких десятков киловольт для УШР-500.

Однако и эта энергия, которая более длительно (несколько периодов) выделялась бы на шунтирующем сопротивлении 3,5 Ома для отдельной разомкнутой ОУ трехобмоточного реактора такого же напряжения и мощности, в двухобмоточных реакторах шунтируется самой схемой обмотки (вторичная обмотка «двойной разомкнутый треугольник» никак не может быть разомкнутой при коммутации). Поэтому полное исключение шунтирующего ОУ резистора (даже при отсутствии шунтирующей диодной ветви) в таких двухобмоточных УШР приводит лишь к появлению периодически затухающего напряжения на выводах ОУ в пределах нескольких киловольт при самом неблагоприятном наборе рассмотренных выше факторов.

На рис. 3 приведены схема (а), расчетные осциллограммы токов и напряжений в ветвях и на выводах совмещенной обмотки управления двухобмоточного реактора типа РТУ-25000/110 при его коммутации в цикле АПВ с номинальной предшествующей нагрузкой с шунтирующими резисторами 35 Ом (б) и 3,5 Ома (в) без подключения шунтирующей ветви преобразователей. Сверху вниз на осциллограммах показаны: ток фазы СО и индукции полустержней в цикле ТАПВ, напряжение и ток шунтирующего резистора.

Рис. 3. а) Схема РТУ-25000/110;
б) осциллограммы ТАПВ с R = 35 Ом;
в) осциллограммы ТАПВ с R = 3,5 Ома.

а)

б)	в)

В отличие от трехобмоточных реакторов здесь напряжение на выводах ОУ имеет меньшую величину и периодический затухающий характер, а его величина при снижении сопротивления в 10 раз снижается в амплитуде с 6,4 до 2,7 кВ. В реальных условиях при наличии двух диодных шунтирующих ветвей или при работе преобразователей на заданную уставку и эти напряжения будут практически отсутствовать.

Следует заметить, что более 10 лет успешной эксплуатации первых реакторов типа РТУ-25000/110 без шунтирующих резисторов, а также без предварительного подмагничивания и без дополнительных защитных устройств подтверждают выводы предыдущего анализа и расчетов.

Однако при этом даже для современных исполнений РТУ-25000/110(35), имеющих диодные шунтирующие ветви, ОПН и автоматику предварительного подмагничивания, завод-изготовитель требует обязательного контроля наличия предварительного подмагничивания во всех возможных режимах эксплуатации, в том числе при отсутствии местного независимого источника питания на подстанции.

Это порой приводит к серьезным режимным ограничениям, когда при одностороннем питании длинной линией 110 кВ тупиковая подстанция не может быть введена в работу после АПВ или иного перерыва в электроснабжении (реактор не может быть включен без подмагничивания, а линия не может быть включена без реактора из-за ее большой зарядной мощности).

Наряду с защитными цепями самих преобразователей ТМП, встроенными резисторами шунтирования ОУ и энергоемкими ОПН на выводах ошиновки подмагничивания, реакторы серии РТУ всех классов напряжения комплектуются дополнительными устройствами защиты от перенапряжений (УЗП). Это достаточно массивные (около 600 кг) маслонаполненные устройства, содержащие встречно-параллельно подключенные тиристоры с цепями их динисторного включения при появлении перенапряжений. Кроме дополнительных затрат и габаритов, а также трудностей координации с другими защитными цепями, УЗП обладают (сравнительно с ОПН) невысоким быстродействием, а при пробое или открытии своих цепей приводят к режиму КЗ на выводах преобразователей ТМП.

В практике эксплуатации УШР зафиксировано как минимум два случая неправомерного срабатывания УЗП с последующим излишним отключением ТМП от защит и выводом реакторов из работы. Кроме того, эти тиристоры в масляном баке, закрепленном «глухо» на достаточно большой высоте (на электромагнитной части у выводов ОУ), требуют проверки и замены с определенной регулярностью, что не слишком удобно в эксплуатации.

В заключение, в качестве иллюстрации степени влияния на коммутационные воздействия основного фактора – величины остаточного намагничивания полустержней магнитопровода при включении реактора, на рис. 4 приведены осциллограммы режима, полностью аналогичного режиму на рис. 2а (с резистором 21 Ом), но с существенно меньшей остаточной индукцией – ± 0,314 Тл (вместо ±1,9 Тл). При этом амплитуды напряжения и тока на шунтирующем резисторе составляют соответственно 11,5 кВ и 550 А (вместо 39 кВ и 1850 А на рис. 2а), т.е. энергия воздействия на преобразователи и ОПН меньше примерно в 10 раз.

Рис. 4. ТАПВ УШР-500 с остаточным намагничиванием полустержней 0,314 Тл

Выводы

1. Основным фактором, определяющим уровень коммутационного воздействия со стороны ОУ на преобразователи УШР, является величина предшествующей отключению нагрузки реактора и соответствующий уровень остаточной индукции (остаточного намагничивания) полустержней магнитопровода. Дополнительными факторами являются мощность реактора, величина шунтирующего ОУ сопротивления и характер коммутации.
2. При наличии тока предварительного подмагничивания в ОУ реактора или при открытой шунтирующей (или рабочей) ветви преобразователя любого ТМП коммутационные перенапряжения на выводах преобразователей отсутствуют как при оперативном включении УШР, так и при его участии в циклах АПВ. Если реактор отключался в режиме холостого хода и подключается на номинальное напряжение к сети (как «шинный» реактор), то воздействия будут минимальны даже при отсутствии предварительного подмагничивания.
3. Максимальным воздействиям подвергаются тиристорные преобразователи линейных УШР, в особенности для протяженных ВЛ СВН с повышенными напряжениями при опробовании с одного (противоположного) конца.
4. Расчетное максимально возможное воздействие на ОПН или шунтирующий ОУ резистор соответствует запасенной в ОУ энергии (в номинальном режиме около 100 кДж для УШР 500 кВ 180 МВАр).
5. Необходима координация по напряжению всех защитных элементов реактора, а именно УЗП, ОПН и преобразователей ТМП, в соответствии с максимальным рабочим выпрямленным напряжением, классом применяемых тиристоров, уровнем срабатывания динисторных защит и уровнем ограничения ОПН.
6. Разработанный и поставляемый для линейных УШР 500 кВ энергоемкий ОПН на 96 кДж имеет как минимум полуторакратный запас при любых реально возможных воздействиях по напряжению на тиристоры преобразователей ТМП, в том числе при отказе автоматики, возможных ошибках оперативного персонала
7. Для двухобмоточных реакторов распределительных сетей 35–110 кВ, испытывающих сравнительно незначительные коммутационные воздействия и имеющих всегда замкнутые выводы ОУ и диодные шунтирующие ветви, следует допускать в необходимых режимных случаях включение реактора оперативно и в циклах ТАПВ без предварительного подмагничивания.
8. При рассмотренном наборе защитных мер, в том числе при наличии рассчитанного на полную энергию обмотки ОПН и автоматики предварительного подмагничивания, комплектуемый заводом-изготовителем УЗП является излишним и даже вредным, поскольку случаи его пробоя или ошибочного открытия приводят к режиму КЗ преобразователей ТМП.

Литература

1. Долгополов А.Г. Релейная защита управляемых шунтирующих реакторов. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2011. 152 с.: ил. [Библиотечка электротехника: приложение к журналу «Энергетик». 2011. Вып. 8–9 (152–153)].
2. Долгополов А.Г. Шунтирующие реакторы, управляемые подмагничиванием. Вопросы быстродействия // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 4 (64).
3. Ахметжанов Н.Г., Долгополов А.Г., Карманов В.Ф. Защита полупроводниковых преобразователей для управляемых шунтирующих реакторов // Электрические станции. 2009. № 11.