Трансформаторно-реакторное оборудование

В нашем журнале неоднократно появлялись публикации об управляемых шунтирующих реакторах (УШР), обеспечивающих регулирование напряжения (реактивной мощности). Плавное изменение потребляемой реактивной мощности УШР достигается за счет подмагничивания стержней магнитопровода выпрямленным током и соответствующего снижения индуктивности сетевой обмотки реактора.

Сегодня это оборудование как элемент FACTS, а значит, и активно-адаптивной сети (по международной терминологии – smart grid), привлекает к себе еще большее внимание специалистов. В каком направлении развивается конструкторская мысль создателей управляемых реакторов, рассказывают Сергей Евгеньевич Соколов и Андрей Геннадьевич Долгополов.

УПРАВЛЯЕМЫЕ РЕАКТОРЫ
Обзор технологий

Сергей Соколов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электрические станции, сети и системы», Алма-Атинский университет энергетики и связи, Казахстан	Андрей Долгополов, д.т.н., технический директор ОАО «ЭЛУР», г. Москва

История создания управляемых реакторов и их использования начинается с пятидесятых годов прошлого века, когда началось освоение и строительство линий электропередачи (ЛЭП) высокого и сверхвысокого напряжения. Тогда же были сформулированы и основные требования к таким аппаратам:

• синусоидальность потребляемого тока;
• высокий (не менее десяти) коэффициент регулирования;
• возможность подключения на высокое напряжение;
• высокое (регулируемое по требованию заказчика) быстродействие;
• низкий расход активных материалов и уровень потерь;
• простота конструкции и изготовления, ремонтопригодность.

Сегодня эти требования практически не изменились и наряду с другими требованиями, связанными с конкретной конструкцией, определяют техническую пригодность аппарата.

РЕАКТОР ФРИДЛЕНДЕРА И РЕАКТОР КРАМЕРА

В 1955 году компанией ВВС был изготовлен управляемый реактор мощностью 100 МВАр, напряжением 10 кВ, предназначенный для испытания мощных турбогенераторов, получивший название по имени его автора – реактор Фридлендера (рис. 1а) [1]. Изменение индуктивного сопротивления осуществлялось подмагничиванием постоянным током.

Реактор состоит из двух плоскошихтованных шестистержневых магнитопроводов, на каждом из которых установлены две идентичные трехфазные обмотки, соединенные в зигзаг, две идентичные обмотки, соединенные в треугольник, и две обмотки постоянного тока, каждая из которых охватывает по три стержня магнитопровода. Постоянный магнитный поток замыкается в пределах каждого магнитопровода и создает одинаковое подмагничивание всех стержней. Четные гармоники замыкаются по цепи управления, гармоники, кратные трем, циркулируют по обмоткам, соединенным в треугольник, а 5-я и 7-я – в контуре параллельных ветвей, образованных основными обмотками, соединенными в зигзаг. В сеть генерируются гармоники 11, 13, а также кратные им и более высоких порядков, но амплитуды их невелики, что при индукции порядка 1 Тл обеспечило практическую синусоидальность потребляемого тока.

Реактор имел плохие технико-экономические показатели и низкое быстродействие из-за наличия прямой электромагнитной связи между обмотками переменного и постоянного тока.

В том же году появилось описание реактора В. Крамера (рис. 1б) [2], выполненного по аналогичной схеме, с расщеплением каждого стержня на четыре части, так что управляющая и компенсационная обмотки находились внутри рабочей. Технология намотки и сборки такого реактора достаточно сложна.

Уже в этих конструкциях нашли применение схемные способы компенсации высших гармонических тока до 9-й включительно, но в силу указанных недостатков, а возможно и по другим причинам, дальнейшего развития они не получили.

Рис. 1.Электрическая схема реактора Фридлендера (а) и конструктивная схема реактора Крамера (б)

а)	б)

РЕАКТОРЫ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

В 1951 году д.т.н. М.С. Либкинд предложил управляемый реактор с вращающимся магнитным полем для ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения [3], представляющий собой шихтованный цилиндрический магнитопровод с пазами, в которых расположены распределенная обмотка переменного тока и тороидальная обмотка постоянного тока, охватывающая либо внешнее, либо внутреннее, либо оба ярма и обеспечивающая продольное кольцевое подмагничивание одного либо обоих ярм.

Особенностью управляемых реакторов с вращающимся магнитным полем является обеспечение синусоидальности потребляемого тока без применения дополнительных мер за счет использования распределенной обмотки переменного тока в сочетании с 60-градусной фазной зоной и круговой магнитной симметрией. Долгое время основное внимание было уделено разработке именно этого реактора. В частности, был предложен и принцип самоподмагничивания [4].

РЕАКТОРЫ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ

В целом проведенные исследования показали, что создание реактора с вращающимся магнитным полем на сотни МВАр и напряжением 110 кВ и выше при приемлемых технико-экономических показателях вряд ли возможно из за его недостатков, к которым относятся сложность конструкции, низкое напряжение рабочей обмотки, большой уровень поля рассеяния и др.

В 70-х годах вновь определилась тенденция к разработке конструкций трансформаторного типа с пульсирующим магнитным полем и сосредоточенными обмотками. Эти работы были начаты в Алма-Атинском энергетическом институте (АЭИ).

Были предложены конструкции с пространственным магнитопроводом (рис. 2) [5]. Одна из таких конструкций с шестистержневым пространственным магнитопроводом мощностью 2,5 МВАр, напряжением 10 кВ была изготовлена на предприятии «Южказэнергоремонт» в г. Алма-Ате и внедрена на подстанции «Чорга» Восточных электрических сетей «Алтайэнерго» [6].

Рис. 2. Возможные исполнения управляемых реакторов с пространственным магнитопроводом

Исследования управляемых реакторов с пространственным магнитопроводом были поддержаны Таллиннским политехническим институтом, специалисты которого предложили несколько разновидностей конструктивного исполнения, в частности трехэтажную с подмагничиванием стержней. Однако эти реакторы не получили дальнейшего развития.

РЕАКТОРЫ С СИММЕТРИЧНЫМ НАМАГНИЧИВАНИЕМ И СХЕМНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ВЫСШИХ ГАРМОНИК

Безоговорочно был принят принцип двойного симметричного намагничивания по четным гармоникам, возникающим при наложении постоянного поля на переменное, который используется во всех без исключения конструкциях трансформаторного типа с подмагничиванием постоянным током.

Согласно этому принципу магнитная система простейшего однофазного дросселя с подмагничиванием выполняется из двух идентичных магнитопроводов, на каждом из которых расположены секции обмотки постоянного тока, соединенные последовательно согласно, и секции обмотки переменного тока, соединенные параллельно встречно. При этом обеспечивается равенство нулю ЭДС 1-й гармоники на зажимах обмотки управления и замыкание четных гармоник в контуре параллельных ветвей обмотки переменного тока (рис. 3). Нечетные гармоники не компенсируются, и дроссель генерирует их в сеть.

Рис. 3. Двойное симметричное намагничивание по четным гармоникам

Компенсация нечетных гармоник осуществлялась применением схем зигзага и параллельным соединением треугольника и звезды и требовала удвоения магнитной системы (рис. 4).

Рис. 4. Схемные способы компенсации 5-й и 7-й гармоник тока

При этом компенсация 11-й и 13-й гармоник и гармоник более высоких порядков не обеспечивалась. Принципиально можно обеспечить компенсацию и этих гармоник, но для этого необходимо еще одно удвоение магнитной системы, что явно нецелесообразно.

Дальнейшие исследования были направлены на улучшение технико-экономических показателей: уменьшение расхода активных материалов и потерь, упрощение конструктивно-схемного решения, повышение эффективности подмагничивания и улучшение формы кривой тока.

РЕАКТОРЫ В РЕЖИМЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ПО ГАРМОНИКАМ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Как известно, в режимах свободного и вынужденного намагничивания по 3-й гармонике ток холостого хода трансформаторов имеет в первом случае заостренную, а во втором уплощенную форму за счет изменения фаз 5-й и 7-й гармоник на 180° (рис. 5).

Рис. 5. Форма кривой тока в режимах свободного и вынужденного намагничивания по гармоникам нулевой последовательности

Следовательно, при определенном значении индукции 3-й гармоники или индукции гармоник, кратных трем, 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники тока будут равны нулю или будут иметь минимальное суммарное значение [7]. Этот режим промежуточного намагничивания по гармоникам нулевой последовательности позволяет отказаться от схемных решений подавления гармоник тока и уменьшить количество активных стержней в два раза, то есть до шести.

Такое схемно-конструктивное решение было предложено в АЭИ для реакторов, изготовленных на предприятии «Южказэнергоремонт» и внедренных на ПС «Таксимо» Западного участка электроснабжения БАМа в начале 80-х годов (рис. 6) [8].

Рис. 6. Схемные решения реакторов в режиме промежуточного намагничивания по гармоникам нулевой последовательности

Два реактора мощностью 10 МВАр были изготовлены на базе типовых силовых трансформаторов мощностью 6,3 МВАр, напряжением 35 кВ путем их реконструкции. Были удалены обмотки на среднем стержне, домотана третья обмотка на крайних стержнях, увеличены размеры бака и сделаны дополнительные выводы на крышке бака. Следует заметить, что технология такой конструкции полностью соответствует технологии трансформаторостроения и предельно проста. Однако и в этом случае добиться синусоидальности потребляемого тока не удалось и коэффициент гармоник составлял 5–6 %.

Наиболее простым и эффективным решением обеспечения синусоидальности потребляемого тока является применение фильтров, мощность которых невелика. Такие фильтры фактически используются и во всех более поздних конструкциях, поскольку другими способами обеспечить синусоидальность тока не удается. Кроме того, не удается устранить и один из основных недостатков описанных конструкций – увеличение потерь при подмагничивании постоянным током.

Следует также отметить, что реакторы, внедренные на ПС «Таксимо», по ряду причин не были доведены до кондиции, поскольку были изготовлены на базе серийных трансформаторов, но они впервые показали возможность изготовления реакторов на высокие напряжения с приемлемыми технико-экономическими показателями, которые могут быть в настоящее время существенно улучшены.

РЕАКТОРЫ С ПРЕДЕЛЬНЫМ НАСЫЩЕНИЕМ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

В начале 60-х годов в Одесском политехническом институте был предложен способ улучшения формы кривой тока однофазных дросселей путем принудительного формирования вебер-амперной характеристики применением стержней переменного сечения, как это показано на рис. 7 [9].

Рис. 7. Возможные конструкции магнитопровода управляемых дросселей для формирования формы кривой тока

Однако при получении вполне приемлемой формы кривой тока авторы не обратили внимания на то, что участки магнитопровода с уменьшенным сечением будут работать на линейной части характеристики намагничивания при отсутствии гистерезисного цикла.

В 1971 году была опубликована работа Г. Беккера, где описана конструкция и принцип действия управляемого реактора, стержни которого также имеют участки уменьшенного сечения, работающие в режиме предельного насыщения, то есть при индукциях более 2 Тл, а изменение индуктивного сопротивления осуществляется пульсирующим полем путем регулирования угла зажигания тиристоров [10]. По непонятным причинам работа Г. Беккера оказалась незамеченной.

В 80-е годы эта идея получила развитие в работах А.М. Брянцева. Он разработал реакторы магнитно-вентильного типа, где наряду с предельным насыщением участков магнитной цепи используется самоподмагничивание последовательно и периодически повторяющимся замыканием части витков вторичной обмотки [11].

При идеальной кусочно-линейной кривой намагничивания ток реактора будет несинусоидален только в промежутке перехода от допредельного режима намагничивания к предельному, то есть в области перегиба кривой (рис. 8). Дальнейший рост тока управления на форму кривой рабочего тока не влияет, так как характеристика реактора в этой области практически линейна за счет насыщения участков уменьшенного сечения. Коэффициент гармоник потребляемого тока менее 5%, но его дополнительно можно уменьшить применением фильтров. Существенным достоинством такого реактора является отсутствие увеличения потерь за счет работы в области безгистерезисного цикла.

Рис. 8. Принцип действия, конструкция стержня магнитно-вентильного реактора

В настоящее время производство УШР напряжением 35–500 кВ, мощностью 25–180 МВа освоено на Запорожском трансформаторном заводе [12].

Более шестидесяти таких УШР сегодня эксплуатируются в России и странах СНГ. Многие реакторы напряжением 35–110 кВ в ЕЭС России несколько лет успешно работают параллельно с батареями статических конденсаторов (БСК). Первые статические устройства управляемой поперечной компенсации на базе УШР и БСК были успешно введены в эксплуатацию в 2004–2005 гг. в ОАО «Томскнефть» (ОАО «Роснефть»).

В Республике Казахстан установлено 3 трехфазных УШР напряжением 500 кВ на второй цепи транзита «Север–Юг».

Однако несмотря на промышленное освоение и эти реакторы не свободны от недостатков, основными из которых являются высокие массогабаритные показатели.

Такого же принципа действия УШР напряжением 500 кВ, но с совмещенной первичной обмоткой осваивает московский «Электрозавод». Полный аналог реакторов запорожского завода напряжением 500 кВ и выше выпускают китайские производители, и они уже начали предлагать их на международном рынке.

РЕАКТОР С КОММУТАЦИЕЙ МАГНИТНОГО ПОТОКА

В 70-е годы в Канаде компанией ВВС был внедрен управляемый реактор, принцип действия которого основан на вытеснении основного магнитного потока в воздушное пространство окна бронестержневого сердечника, что возможно при напряжении КЗ между рабочей и управляющей обмотками, равном 100%. Регулирование тока осуществлялось изменением угла зажигания тиристорной группы, включенной последовательно в цепь обмотки управления. Для фильтрации гармоник, кратных трем, использовалась обмотка, соединенная в треугольник. При этом в рабочем токе присутствовал весь спектр других нечетных гармоник, а уровень потерь оказался недопустимо высок из-за добавочных потерь от внешнего поля [13].

Дальнейшее развитие эта идея получила в работах Г.Н. Александрова, где была дополнена разделением обмотки управления на части, каждая их которых замыкается через управляемые вентили. Уменьшение коэффициента гармоник достигается включением фильтров непосредственно в цепи управления. При отпирании тиристоров в соответствующих секциях обмотки управления магнитный поток вытесняется из стержня, замыкается в зазоре между основной обмоткой (ОО) и обмоткой управления (ОУ) и уменьшается в стержне вплоть до ничтожно малой величины при номинальной мощности. Замыкание магнитного потока происходит через основные и дополнительные ярма, прикрывающие зазор, сечение которых выбирается так, чтобы индукция в стали соответствовала кривой намагничивания до точки перегиба, поэтому вольт-амперная характеристика реактора линейна во всем диапазоне регулирования.

Управляемые реакторы типа УШРТ с коммутацией магнитного потока мощностью 50 МВАр, напряжением 420 кВ внедрены в Индии [14] и Анголе. Широкого применения в России, кроме двух реакторов 25 МВАр 110 кВ в МЭС Западной Сибири, они пока не получили. Во многом это определяется наличием тиристорной группы на полную мощность реактора, что увеличивает стоимость УШРТ и усложняет его эксплуатацию.

Управляемые реакторы при необходимости могут работать параллельно с батареями статических конденсаторов, образуя так называемые управляемые статические компенсаторы (УСК), обеспечивающие как потребление, так и выдачу реактивной мощности, равной мощности конденсаторных батарей при отключенном реакторе.

СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Говоря об управляемых реакторах, нельзя не сказать о статических тиристорных компенсаторах реактивной мощности (СТК), которые могут выполнять те же функции, что и управляемые реакторы или управляемые статические компенсаторы. Достоинство СТК, как и всех тиристорных схем, – высокое быстродействие. К плюсам относится и низкий уровень активных потерь, которые определяются потерями в конденсаторах и линейных реакторах, а также возможность изготовления на базе типового электрооборудования.

Недостатком СТК является наличие высших гармоник в по-требляемом токе, устранить которые можно только с помощью фильтров. Необходимость создания фильтров не только усложняет схему и снижает ее надежность, но и приводит к увеличению потерь и капитальных затрат. К тому же велики затраты на строительство помещения для тиристорных блоков, а система управления СТК и ее силовая часть достаточно сложны. Кроме того, они не могут быть подключены напрямую к сети напряжением 110–750 кВ, а при отсутствии свободной третичной обмотки автотрансформатора дополнительный трансформатор связи еще более увеличивает стоимость комплекса.

ВЫВОДЫ

Таким образом, сегодня уже эксплуатируются и серийно выпускаются следующие типы управляемых устройств для плавного регулирования и компенсации реактивной мощности:

1. Управляемые подмагничиванием реакторы с предельным насыщением участков магнитной цепи.
2. Управляемые реакторы с коммутацией магнитного потока.
3. Управляемые реакторы в режиме промежуточного намагничивания по гармоникам нулевой последовательности.
4. Статические тиристорные компенсаторы.

Первая попытка их сравнительного анализа была сделана в работе [15], в которой дается качественное сравнение по принципу действия, но она на сегодня безнадежно устарела. В [16] приводится сравнение с шунтирующими нерегулируемыми реакторами, что не совсем корректно, поскольку управляемый реактор является принципиально другим аппаратом.

В настоящее время УШР для сетей 330 кВ и выше используется только в России, странах СНГ, в Литве, Индии, Анголе и Китае. В сетях других стран нет подобных устройств, там изменение мощности шунтирующих реакторов производится путем их коммутации.

В сетях более низких классов напряжения в России в качестве средств автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности наибольшее распространение получили УШР с подмагничиванием, а в сетях Западной Европы и Северной Америки – СТК.

Из сказанного выше очевидно, что проблема создания и использования управляемых реакторов еще не закрыта, поскольку нет обобщения и анализа уже имеющихся разработок и опыта их эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Fisher F., Friedlander E. D.C. controlled 100 MVA reactor // GEC Journal. 1955. Vol. 22. № 2.
2. Kramer W. Drehstromiransformator mit regelbaren Magnetisierungsirom // ETZ-A, 1959. Bd 80. Н. 4.
3. Либкинд М. С. Управляемый реактор для линии передачи переменного тока. М.: Изд-во АН СССР, 1961.
4. Соколов С.Е. Исследование схем питания обмотки подмагничивания управляемого реактора с вращающимся магнитным полем. Энергетика и электрификация // Алма-Ата: КазПТИ, 1971, вып. 1.
5. Соколов С.Е., Брянцев А.М. Трехфазный управляемый реактор с цилиндрическими обмотками // Тезисы докладов на V Всес. межвуз. конф. по теории и методам расчета нелинейных эл. цепей и систем. Ташкент, 1975, вып. 2.
6. Брянцев А.М., Соколов С.Е., Бикташев Ш.Ш., Лис И.Д., Наумов В.А., Пильч М.Л., Светлов С.Е. Стержневой управляемый реактор с пространственным магнитопроводом в электрической сети 35–110 кВ // Электрические станции. 1982. № 5.
7. Соколов С. Е. О взаимосвязи гармоник нелинейности магнитного потока и напряженности поля трехфазных ферромагнитных устройств // Изв. вузов. Энергетика. 1981. № 6.
8. Соколов С.Е., Борисов Г.О., Гусев А.П., Заславская Т.Б. Управляемые ферромагнитные реакторы и их использование для управления режимами протяженных ЛЭП. Новосибирск: Наука, 1993.
9. Бобриков С. А., Сомов В. А. Метод изготовления магнитопровода катушки со стальным сердечником, имеющего заданную зависимость между намагничивающим током и потоком // Изв. вузов. Электромеханика. 1963. № 12.
10. Becker Н. Ein statischer Phasenschieber zur Kompensation von Blindleistung // ETZ-B, 1971. Bd 23. H. 12.
11. Брянцев А. М. Подмагничиваемые ферромагнитные устройства с предельным насыщением участков магнитной цепи // Электричество. 1986. № 2.
12. Брянцев А.М., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А. и др. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы для энергетики России // Научно-техническая газета «Энергопрогресс», спецвыпуск, декабрь 2004 г.
13. Reichert K.J., Kauferle J., Glavitsh H. Controllable reactor compensator for more extensive utilization of hign voltage systems // CIGRE. 25 Session. Report 32-17. 1974.
14. Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ 50 МВАр пущен в эксплуатацию // Электричество. 2002. № 3.
15. Дорожко Л.И., Лейтес Л.В. Сравнительный анализ различных конструкций управляемых реакторов // Электротехника. 1991. № 2.
16. Александров Г.Н., Кашина В.А. Сравнение технико-экономических показателей неуправляемых и управляемых реакторов // Электротехника. 1997. № 1.