Марка • Оборудование

РАМЕНСКИЙ ЗАВОД «ЭНЕРГИЯ»:
Дугогасящие реакторы серии РУОМ.
Преимущества очевидны, недостатки преувеличены

За последние годы реакторы с подмагничиванием серии РУОМ производства Раменского электротехнического завода «Энергия», их особенности и характеристики, неоднократно рассматривались в профильных изданиях. В новой публикации приводится подробный анализ достоинств и недостатков данного оборудования.

Открыть в формате PDF

Даниил Матвеев, старший преподаватель, кафедра техники и электрофизики высоких напряжений, НИУ «МЭИ», г. Москва

Безаварийная работа сетей 6–35 кВ с изолированной нейтралью напрямую связана со степенью компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю, которая обеспечивается применением дугогасящих реакторов (ДГР). Эти реакторы, будучи настроенными в резонанс с сетью в контуре нулевой последовательности, обеспечивают значительное снижение тока однофазного замыкания на землю, что облегчает условия деионизации дуги и повышает вероятность ее быстрого гашения. Ограничение тока дугового замыкания снижает темпы развития повреждения и вероятность перехода однофазного замыкания в двух- или трехфазное. В случае перемежающихся дуговых замыканий (дуга гаснет и загорается снова через некоторое время) точная настройка реакторов исключает эскалацию напряжений, обеспечивая невысокий уровень перенапряжений кратностью не более 2,5. Как следствие, сети, в которых компенсация емкостных токов выполнена в соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации [1], характеризуются малым числом отказов электрооборудования при замыканиях на землю и повышением его срока службы.

Степень расстройки компенсации определяется по формуле:

(1)

где I_C – емкостная составляющая тока однофазного замыкания на землю, I_L – индуктивная составляющая тока реактора. Отрицательным значениям соответствует режим перекомпенсации, положительным – недокомпенсации.

В соответствии с [1] допускается настройка ДГР с перекомпенсацией, при которой индуктивная составляющая тока замыкания на землю не превышает 5 А, а степень расстройки – 5%. Как показывает практика, добиться приемлемой степени компенсации емкостных токов применением ступенчато регулируемых ДГР зачастую не удается, что обусловливает необходимость автоматической компенсации емкостного тока плавно регулируемыми реакторами. Сегодня на отечественном рынке электрооборудования предлагается два типа таких устройств с принципиально разными способами регулирования. В плунжерных ДГР изменение индуктивности обеспечивается механически – изменением немагнитного зазора в магнитопроводе, в ДГР с подмагничиванием – насыщением участков магнитопровода магнитным полем выпрямленного тока.

Основным недостатком плунжерных ДГР является наличие движущихся частей: частые перемещения плунжера приводят к механическим повреждениям привода, ограничивающим надежность этих устройств. Реакторы, управляемые подмагничиванием, принципиально не имеют такого недостатка. В России реакторы с подмагничиванием (серии РУОМ) выпускаются Раменским электротехническим заводом «Энергия» (РЭТЗ).

В последние годы в периодической печати появились публикации, в которых утверждается, что ДГР серии РУОМ неконкурентоспособны [2, 3]. В [2] даже заявлено, что «большая часть этих реакторов демонтирована, а остальные постепенно выводятся из эксплуатации», что справедливо лишь для реакторов с подмагничиванием других конструкций. Также по отношению к реакторам серии РУОМ нельзя отнести высказанную в [2] критику в части большой потребляемой мощности и малого диапазона регулирования тока компенсации – эти параметры РУОМ сходны с таковыми для лучших конструкций плунжерного типа, что несложно проверить.

Рассмотрим вопрос, наиболее часто обсуждаемый применительно к ДГР серии РУОМ: настройка реактора в нормальном (неаварийном) режиме работы сети. Если плунжерные ДГР до возникновения однофазного замыкания на землю настроены в резонанс с емкостью сети, то РУОМ до замыкания находится в режиме значительной недокомпенсации. При возникновении замыкания на реакторе появляется напряжение и он входит в режим самоподмагничивания током, выпрямленным с помощью тиристорных ключей, включенных параллельно частям сетевой обмотки (рис. 1). Необходимый ток компенсации обеспечивается изменением углов открытия тиристоров с помощью системы автоматического управления (САНК – в первых модификациях РУОМ, САМУР – в последних). В доаварийном режиме САМУР определяет ток компенсации путем сканирования нейтрали сети сигналом переменной частоты.

Рис. 1. Типовая схема присоединения реактора РУОМ к электрической сети

ФМЗО – фильтр масляный заземляющий однофазный для организации нейтральной точки;
РУОМ – реактор управляемый однофазный масляный;
САМУР – система автоматического микропроцессорного управления реактором;
НАМИ – антирезонансный трансформатор напряжения

-------

Эффективность компенсации емкостного тока определяется временем выхода РУОМ из режима недокомпенсации в резонанс с емкостью сети. Перед тем как рассмотреть быстродействие реактора, отметим важное обстоятельство: расстройка компенсации в нормальном режиме является преимуществом РУОМ, а не его недостатком. При резонансной настройке реактора даже небольшая несимметрия фазных емкостей сети приводит к значительному смещению нейтрали и, как следствие, к перенапряжениям – этот факт известен давно и относится к недостаткам режима заземления нейтрали через ДГР [4].

При отсутствии реактора напряжение смещения нейтрали определяется известным соотношением:

, (2)

где E·_A = U_Ф, E·_B = a²U_Ф, E·_C = aU_Ф – фазные напряжения; C_A, C_B, C_C – емкости фаз относительно земли.
Легко заметить, что для симметричной тройки фазных напряжений при равенстве фазных емкостей смещение нейтрали равно нулю. Если емкости двух фаз одинаковы (C_B = C_C = C), а емкость третьей фазы отличается от них (C_A = mC), то:

. (3)

Например, при m = 0,9 имеем U₀ = 0,035U_ф, т.е. смещение нейтрали незначительно, но при наличии резонансно настроенного реактора оно резко возрастает. Это можно объяснить с помощью схемы замещения (рис. 2), составленной на основании принципа эквивалентного генератора. Эта схема представляет собой резонансный контур, в котором возможны значительные повышения напряжения на отдельных его элементах, в частности на индуктивности.

Рис. 2. Схема для определения напряжения смещения нейтрали при наличии ДГР

В приведенной схеме g – активная проводимость фазы на землю, r₀ и L₀ – активное сопротивление и индуктивность нулевой последовательности, практически равные сопротивлению и индуктивности ДГР (с учетом устройства, обеспечивающего нейтральную точку для подключения реактора). Опуская выкладки, которые можно найти, например, в [4], и вводя отношение активного тока замыкания на землю к емкостному

,

запишем соответствующую схеме рис. 2 формулу для определения напряжения смещения нейтрали:

, (4)

из которой видно, что при идеальной настройке реактора смещение нейтрали максимально и равно U_N = U₀ / δ.

С увеличением расстройки ДГР напряжение нейтрали убывает, что иллюстрируется графиком рис. 3, который построен для случая δ = 0,07. Смещение нейтрали, соответствующее идеальной настройке реактора, составляет U_N = 0,5U_ф, при этом на одной из фаз напряжение уменьшится до 0,5U_ф, а на других поднимется до более чем 1,3U_ф, причем такой режим будет существовать длительно. Это недопустимо, ведь в соответствии с п. 5.11.11 ПТЭ [1] длительно допустимое значение смещения нейтрали составляет 0,15U_ф. Поэтому для сетей, в которых не выполнено тщательное симметрирование параметров воздушных линий, применение реакторов, длительно работающих с резонансной настройкой, приводит к нарушению требования ПТЭ.

Рис. 3. Напряжение смещения нейтрали в нормальном режиме работы сети при m = 0,9 и δ = 0,07 в зависимости от степени расстройки компенсации ДГР

Заявленное заводом время выхода реактора РУОМ в режим полной компенсации составляет 20 мс (один период тока промышленной частоты), что подтверждается для каждого реактора стендовыми испытаниями. Однако в [3, 5] указывается значительно большее время. В [5] вывод о низком быстродействии ректоров РУОМ сделан на основании проведенных экспериментов. Полученное время выхода реактора РУОМ-190/11 на установившийся режим компенсации 4 с можно объяснить только отсутствием настройки или неисправностью системы управления САНК. Дальнейший анализ гармонического состава тока и осциллограмм переходных процессов после этого лишается смысла. Отметим, что проведение экспериментов проводилось без участия представителей завода «Энергия», а опыт эксплуатации и результаты сетевых испытаний реакторов, представленные в [6], не подтверждают выводы авторов [5].

Система управления САМУР, поставляемая с последними модификациями реакторов РУОМ, обладает возможностями регистрации изменения во времени смещения нейтрали, тока реактора, углов зажигания тиристоров. На рис. 4 показаны результаты такой регистрации при компенсации тока однофазного замыкания реактором РУОМ-840/11, установленным на Костромской ПС «Давыдковская».

Рис. 4. Результаты измерений для реактора РУОМ 840/11

U_N – напряжение смещения нейтрали;
I_к – требуемое значение тока компенсации;
I_1р – действующее значение первой гармоники тока реактора

----------

Реактор при максимальном значении угла управления тиристорами быстро (за несколько миллисекунд) набирает необходимое значение тока компенсации I_к, составляющее 43% от номинального тока реактора, после чего САМУР стабилизирует ток подмагничивания на необходимом уровне. Видно, что даже при переходе в установившийся режим компенсации после форсировки подмагничивания расхождение между I_к и I_1p не превышает 13% от номинального тока реактора, что в абсолютных единицах составляет 10 А. Это значение меньше допустимого тока однофазного замыкания в сети 10 кВ.

Принципиальным недостатком РУОМ является сложность обеспечения идеальной настройки в условиях перемежающихся замыканий на землю с большой скважностью. Этому вопросу будет посвящена отдельная публикация. Некоторые аспекты этой проблемы освещены в обстоятельной статье [7], где, в частности, отмечается, что данный недостаток не может быть препятствием к продолжению эксплуатации РУОМ, поскольку в режимах перемежающихся замыканий не происходит разогрева места повреждения и перехода однофазного замыкания в междуфазное.

В заключение отметим, более тысячи реакторов серии РУОМ успешно работают в сетях много лет, в том числе в режимах дуговых и перемежающихся замыканий, что подтверждается эксплуатирующими организациями.

ВЫВОДЫ

1. Основные требования к дугогасящим реакторам – ограничение тока однофазного замыкания на землю, облегчение условий самопогасания дуги и снижение вероятности развития повреждения в междуфазное замыкание. С этими задачами реакторы серии РУОМ прекрасно справляются.
2. Расстройка компенсации в нормальном режиме является преимуществом реакторов серии РУОМ в сетях с несимметрией фазных емкостей, так как она предотвращает появление недопустимых смещений нейтрали в нормальном режиме работы сети.
3. Реакторы серии РУОМ обеспечивают заявленное быстродействие для выхода в режим полной компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю.
4. Для решения вопроса о преимущественных областях применения плунжерных ДГР и реакторов с подмагничиванием представляется целесообразным проведение сопоставительных испытаний на действующей ПС, обработка и анализ опытных данных, полученных в ходе их эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. 2003.
2. Козлов В.Н., Петров М.И. Дугогасящие реакторы в сетях среднего напряжения. Компенсация емкостных токов замыкания на землю // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 2(74).
3. Кричко В.А., Миронов И.А. Особенности применения дугогасящих реакторов // Новости ЭлектроТехники. 2007. № 1(43).
4. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В. Разевига. М.: Энергия, 1976.
5. Ширковец А.И., Ильиных М.В., Дмитриев И.Н. и др. Экспериментальное исследование эффективности дугогасящего реактора РУОМ при «металлических» и дуговых однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ // Электро. 2009. № 3.
6. Алиев Р.Г., Долгополов А.Г., Долгополов С.Г. и др. Опыт эксплуатации и результаты сетевых испытаний дугогасящих реакторов серии РУОМ с регуляторами САНК // Электрические станции, 2008, № 1.
7. Алиев Р.Г., Долгополов А.Г., Долгополов С.Г. Особенности дугогасящих реакторов с подмагничиванием и способы их совершенствования // Энергетик. 2012. № 8.