Реакторное оборудование

Андрей Долгополов, д.т.н., ОАО «ЭЛУР», г. Москва	Виктор Ивакин, к.т.н., ОАО «Электрозавод», г. Москва

Последние годы в электроэнергетике России и других стран связаны с интенсивным развитием автоматически управляемых линий высокого и сверхвысокого напряжения. Наряду с единичным использованием таких устройств, как статические компенсаторы реактивной мощности (СТК, Статком), управляемые продольные компенсаторы (УПК), фазоповоротные трансформаторы, асинхронизированные генераторы, широкое применение получили управляемые шунтирующие реакторы (УШР).
Андрей Геннадьевич Долгополов и Виктор Николаевич Ивакин в своем материале анализируют схемы выполнения реакторов и их технические параметры.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ РЕАКТОРЫ
Обзор и сравнительные характеристики

История разработки управляемых электрических реакторов различных конструкций насчитывает более 60 лет [1, 2, 3]. В табл. 1 приведены сведения о находящихся в мировой эксплуатации УШР различного принципа действия.

Таблица 1. Типы реакторов и сведения об эксплуатации

Примечание. Количество УШР с РПН приведено ориентировочно, поскольку полная статистика отсутствует.
Количество реакторов по схеме Фридлендера соответствует числу оставшихся в эксплуатации на 2013 год.

Следует отметить, что управляемые подмагничиванием реакторы по схеме Фридлендера давно не выпускаются. УШР на основе ШР с РПН до настоящего времени не нашли массового применения в сетях высокого (ВН) и сверхвысокого (СВН) напряжения. УШР данного типа применяют в странах Северной Америки и Западной Европы в основном для сезонного и суточного регулирования напряжения, т. к. они имеют низкую скорость регулирования (изменение мощности от минимального до максимального значения требует 3–5 мин.), связанную с механическими характеристиками РПН и ограничениями по ресурсу переключений [4]. Диапазон регулирования мощности УШР на основе ШР с РПН составляет не более 60%.

УШР на базе дугогасящих реакторов типа РУОМ производства Раменского завода «Энергия» имели единичное применение в связи с малой мощностью и отсутствием серийного производства УШР в трехфазном исполнении.

Из табл. 1 следует, что плавное регулирование реактивной мощности и напряжения с достаточным быстродействием способны обеспечить УШР с подмагничиванием или управляемые реакторы трансформаторного типа (УШРТ), регулирование которых обеспечивается тиристорной группой на полную мощность реактора. Производство подмагничиваемых реакторов освоено в настоящее время на двух заводах – «Запорожтрансформатор» (ЗТР) и «ЭЛЕКТРОЗАВОД». УШРТ большой мощности напряжением до 500 кВ может производить «Тольяттинский трансформатор» (ТТ) совместно с НТЦ ФСК ЕЭС (в части тиристорных преобразователей с системой управления).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТОРОВ

В табл. 2 приведены сравнительные технические характеристики управляемых реакторов напряжением 500 кВ, мощностью 180 МВАр трех производителей. Можно сделать вывод, что основные параметры электромагнитной части (ЭМЧ) примерно одинаковы для всех заводов. В целом УШРТ отличается более высоким быстродействием в силу своего принципа действия и использования тиристорных ключей на полную мощность.

Таблица 2. Технические характеристики управляемых реакторов напряжением 500 кВ, мощностью 180 МВАр.

* Контейнер, в котором установлены: тиристорный преобразователь с системой управления, системой охлаждения и коммутационной аппаратурой на стороне НН.
** Контейнер, в котором установлены: тиристорный преобразователь с системой управления и системой охлаждения, а также защитные конденсаторная батарея и реакторы.
*** Масса тиристорного вентиля.

Однако это предопределяет большую стоимость производства и эксплуатации УШРТ, а также увеличенные в сравнении с двумя другими УШР общие потери [5].

УШР «ЭЛЕКТРОЗАВОДа» за счет совмещения сетевой обмотки с обмоткой управления, рабочих стержней, состоящих из секций (дисков) с радиальной шихтовкой пластин, формирующих стержень переменного сечения с распределенными зазорами, имеет несколько большую (по сравнению с УШР ЗТР) мощность системы подмагничивания и меньший диапазон регулирования за счет более высокого значения тока холостого хода (ХХ) [6]. Технология изготовления таких стержней магнитопровода сложнее и более затратна, чем у двух других производителей, использующих традиционные плоскошихтованные трансформаторные конструкции электромагнитной части, однако обеспечивает меньшую массу и габариты реактора, меньшие потери и более низкий уровень высших гармоник тока реактора без применения внешних силовых фильтров [7].

Реакторы ЗТР имеют наименьшую мощность управления со стопроцентным ее резервированием и категорией размещения УХЛ в масляном баке обычного серийного трансформатора мощностью 1000 кВА. На ЗТР освоено также производство реакторов этого класса напряжения в трехфазном исполнении, габариты и стоимость которых значительно меньше, чем группы из трех фаз по 60 МВАр (тем более при наличии резервной фазы).

Число УШР 500 кВ, поставленных в сети России и Казахстана компаниями ЗТР, ЭЛУР, «ЭЛЕКТРОЗАВОД», ТТ, уже достигло 20 (табл. 3). Половина из них подключена в качестве линейных, то есть кроме компенсации зарядной мощности и повышения пропускной способности ВЛ они выполняют все функции обычных неуправляемых ШР: опробование линии, участие в циклах АПВ (ОАПВ), ограничение повышения напряжений [8, 9].

Таблица 3. УШР 500 кВ, поставленные в сети России и Казахстана

Быстродействие линейных управляемых подмагничиванием реакторов серии РТУ, или минимальное время изменения мощности от минимальной до номинальной либо обратно, в соответствии с утвержденными требованиями ФСК ЕЭС, составляет 0,3 сек. Опыт эксплуатации этих реакторов не выявил каких-либо режимов работы, при которых требовалось бы более высокое быстродействие. Т.е. подтверждаются выводы исследований, проведенных специалистами СПбГТУ, что более высокое быстродействие средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) в энергосистемах не требуется, в том числе при использовании УШР на транзитных линиях СВН или в автономных системах с преобладающей двигательной нагрузкой [10, 11, 12].

Что касается кратковременных значительных снижений напряжения при близких симметричных (трехфазных, т.е. крайне редких) КЗ в сети, то УШР ведет себя при этом так же, как любая другая индуктивная нагрузка. В момент КЗ текущая нагрузка реактора с подмагничиванием безынерционно снизится пропорционально снижению напряжения, после чего дополнительно форсированно будет снижена регулятором САУ (если таковая нагрузка останется и если время отключения КЗ будет существенно больше времени действия основных быстродействующих защит в сети).

Для кратковременных аварийных режимов, когда при затягивании времени отключения КЗ принципиально возможна лавина напряжения, быстродействие УШР с подмагничиванием оказывается вполне достаточным.

В коммутационных процессах включения УШР или опробования ВЛ, в циклах АПВ обеспечивается безынерционный набор номинальной мощности при подаче напряжения за счет предварительного подмагничивания перед включением УШР или ВЛ с УШР [8, 9, 11, 13, 14].

РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО

Сроки освоения производства и опыт эксплуатации УШР значительно отличаются у трех рассматриваемых производителей. ТТ начал произвел и поставил свой первый УШРТ 500 кВ на ПС «Пенза-2» в 2013 году. Первый реактор 500 кВ с подмагничиванием производства «ЭЛЕКТРОЗАВОДа» был изготовлен в 2009 году. Серийное производство УШР напряжением от 35 до 500 кВ на ЗТР ведется с 1998 года (номенклатура продукции завода приведена в табл. 4.).

Таблица 4. Номенклатура УШР напряжением от 35 до 500 кВ производства ЗТР

Следует учитывать, что синхронные компенсаторы (СК), находящиеся в эксплуатации и использующиеся для компенсации реактивной мощности и поддержания напряжения в сетях ВН России и СНГ, практически выработали свой ресурс и в единичных случаях заменяются на СТК. При этом СТК, как и СК, подключаются на обмотку низкого напряжения автотрансформатора или трансформатора. Такое подключение СТК не позволяет использовать их в качестве линейных ШР. Кроме того, СТК дороже в производстве и эксплуатации.

В странах дальнего зарубежья для компенсации реактивной мощности и поддержания напряжения в сетях ВН используются, в основном, СТК. Учитывая, что оборудование, коммутируемое тиристорными ключами в схеме СТК, выполняется на класс напряжения не более 40 кВ, в состав СТК, как правило, входит силовой трансформатор, согласующий уровни напряжения данного оборудования СТК и сети ВН, что увеличивает стоимость всего комплекса оборудования СТК.

В государствах Западной Европы и Америки УШР на принципе подмагничивания магнитопровода постоянным (выпрямленным) током применения пока не нашли. Причин этому много. Можно отметить следующие:

• дальние электропередачи переменного тока в зарубежных странах стали строиться позднее, чем в России;
• проблема КРМ и поддержания напряжений в электрических сетях решается разными способами в зависимости от структуры сетей, плотности размещения источников электроэнергии, характера нагрузки и других факторов;
• УШР – новый тип оборудования, не освоенный компаниями других стран и, кроме того, практически не применяемый зарубежными проектными организациями, принимающими решение о применении того или иного вида оборудования КРМ.

Ситуация будет изменяться, если наши заводы-производители будут стремиться выйти с этим оборудованием на рынки зарубежных стран. Кроме того, чем шире УШР будут применяться в сетях России, чем больше информации о них будет доходить до зарубежных энергокомпаний.

В связи с бурным развитием распределенной энергетики, прежде всего ветроэнергетики, характеризующейся переменным графиком выдачи мощности и, следовательно, нерегулярными изменениями напряжения в сети, интерес к УШР всех типов значительно возрос.

Расширяется география мест установки УШР и область их применения. Наряду с традиционным подключением УШР на промежуточных подстанциях и на воздушных линиях СВН, доказана их эффективность при замене неуправляемых ШР на УШР на шинах электрических станций, при регулировании напряжения и реактивной мощности в автономных энергосистемах, при совместном использовании с УПК и другими СКРМ поперечного или продольного подключения, при выдаче мощности от генераторов так называемой малой энергетики (ветропарков, солнечной электроэнергетики и т. д. [13, 15]).

УШР для сетей 35–220 кВ часто комплектуются и работают параллельно с конденсаторной батареей, обеспечивая плавное регулирование не только потребления, но и выдачи реактивной мощности аналогично СК или СТК [12, 13, 16].

В рабочей группе комитета СИГРЭ по трансформаторам с 2013 года ведется подготовка к выпуску международного стандарта МЭК на УШР. Интерес к установке УШР в своих энергосистемах проявляют многие развитые страны с протяженными электрическими сетями: Аргентина, Бразилия, Перу, ЮАР, ОАЭ, Индия, Китай, ряд стран Европы (Польша, Ирландия, Великобритания) и государства Африки. Так, в Анголе в её сравнительно небольшой энергосистеме, уже находятся в эксплуатации 11 УШР двух типов, в том числе семь – в системообразующей сети СВН напряжением 400 кВ.

КОНСТРУКЦИЯ

Пример установки УШР с подмагничиванием однофазного и трехфазного исполнения приведен на фото 1 и 2. На фото 3 показана магнитная система трехфазного УШР, а на рис. 1 приведена электромагнитная схема трехфазных трехобмоточных УШР серии РТУ напряжением 220 кВ и выше (подробнее см. в [12–14]). Стержни всех фаз магнитопровода разделены на два полустержня, на каждом из которых размещаются секции компенсационной обмотки (КО), соединенной в «треугольник». Сверху секций КО располагаются секции обмотки управления (ОУ), включенные в каждой фазе последовательно-встречно к сетевой обмотке (СО) и КО. Выводы всех фаз ОУ соединяются параллельно и подключаются к выводам преобразователей (ТМП).

Фото 1. УШР 500 кВ на ПС «Агадырь»

Фото 2. УШР 500 кВ на ПС «Иртыш»

Фото 3. Магнитная система трехфазного УШР с подмагничиванием

Рис. 1. Электромагнитная схема трехфазного трехобмоточного УШР с подмагничиванием серии РТУ

СО, ОУ и КО – сетевая обмотка, обмотка управления и компенсационная обмотка реактора;
ТМП – трансформатор с преобразователем (основной и резервный);
САУ – система автоматического управления;
ТТ, ТН – трансформаторы тока и напряжения.
Примечание. Начала секций обмоток отмечены звездочкой.

Каждая фаза СО выполняется параллельными ветвями с вводом в середину и наматывается поверх вторичных обмоток с охватом обоих полустержней. СО соединяется в схему «звезда с заземленной нейтралью», подключается к шинам подстанции или к линии и обеспечивает потребление реактивной мощности в соответствии с заданным законом регулирования.

КО с номинальным напряжением 10 кВ, соединенная в «треугольник», выполняет две основные функции: исключение из потребляемого сетевого тока гармоник, кратных трем, и питание основного трансформатора с преобразователем, обеспечивающего требуемый уровень подмагничивания магнитопровода через ОУ.

Поскольку установленная мощность ТМП составляет 1 МВА (номинальный первичный ток менее 60 А), а потребляемая в установившемся номинальном режиме не превышает 300 кВт, КО рассчитывается на длительное протекание максимального тока третьей гармоники и имеет уменьшенное сечение (если на КО не предусматривается другая дополнительная нагрузка, например, при возможном подключении конденсаторной батареи).

Благодаря встречному включению своих секций обмотка управления имеет эквипотенциальные выводы (+) и (–), на которых в нормальных установившихся и переходных режимах отсутствует переменное напряжение от обмоток СО или КО. При закрытых тиристорах основного или резервного ТМП выпрямленное напряжение на этих выводах ОУ также отсутствует, соответственно отсутствует и ток подмагничивания в ОУ, поэтому магнитная система находится в ненасыщенном состоянии, а УШР – в режиме ХХ как обычный трансформатор. По мере открытия тиристоров и роста выпрямленного напряжения нарастает ток подмагничивания в секциях ОУ, в результате чего происходит насыщение стержней магнитопровода и рост потребляемого тока реактора.

Тиристоры основного ТМП (а при его профилактике или неисправности – резервного) управляются от цифровой системы автоматического управления (САУ) по выбранному алгоритму стабилизации напряжения либо поддержания заданного значения потребляемой реактивной мощности. Для реализации этих алгоритмов в САУ подаются сигналы от трансформаторов напряжения и тока, а также уставки регулирования, задаваемые персоналом по указанию диспетчера энергосистемы. После выбора режима и задания требуемых уставок вмешательство персонала в автоматическую работу реактора не требуется.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ РЕАКТОРОВ

Реакторы напряжением 500 кВ и выше отличаются по существу только количеством ТМП (добавлен форсировочный преобразователь динамических режимов для обеспечения при необходимости ускоренного набора и сброса мощности за время не более 0,3 сек.) и возможностью однофазного исполнения электромагнитной части. В последнем случае уменьшаются транспортные габариты и имеется возможность заказа резервной фазы. Однако общая площадь, занимаемая на подстанции четырьмя фазами типа РОДУ-60000/500, как и их стоимость, существенно выше, чем для электромагнитной части реактора 500 кВ трехфазного исполнения типа РТДУ-180000/500.

Для снижения потоков рассеивания и потерь бронестержневая магнитная система реактора содержит дополнительные приставные ярма с двух сторон по периметру магнитной системы, которые при насыщении стержней собирают выходящий из них переменный магнитный поток и перенаправляют его в ярма. В первоначальных конструкциях для этого использовались верхние и нижние дополнительные прессующие магнитные кольца для обмоток каждой фазы реактора.

Аналогичные кольцевые магнитные шунты применяют и в конструкции электромагнитной части УШРТ, поскольку по мере закорачивания тиристорами его вторичной обмотки магнитный поток также вытесняется из стержней в пространство между обмотками [17].

В некоторых модификациях УШР серии РТУ сетевая обмотка выполняется без ввода в середину и не имеет параллельных ветвей, что делает невозможным применение поперечной дифференциальной защиты от витковых КЗ. КО уменьшенного сечения в большинстве серийных исполнений делится на секции и размещается первой на полустержнях магнитопровода реактора. В необходимых случаях, например, для исключения экрана между обмотками СО и ОУ, для снижения напряжения КЗ между СО и КО или для увеличения сечения КО с целью подключения к ней значительной дополнительной нагрузки, КО может охватывать оба полустержня и одновременно выполнять функции электростатического экрана между СО и ОУ. Такая же схема расположения обмоток применялась и на пилотных образцах этих УШР.

Конструктивное исполнение УШР с подмагничиванием может у разных производителей иметь различное число обмоток и совмещение функций в одной из них. Реакторы серии РТУ небольшой мощности напряжением 35–110 кВ выполняются двухобмоточными, при этом во вторичной обмотке совмещаются функции ОУ и КО за счет соединения ее по схеме «двойного разомкнутого треугольника» [12, 14].

Дугогасящие реакторы Раменского завода «Энергия» имеют одну обмотку из четырех секций, расположенных на двух полустержнях и соединенных по схеме «восьмерка».

В двухобмоточных УШР «ЭЛЕКТРОЗАВОДА» СО совмещена с ОУ, что дает снижение потерь и уменьшение габаритов. Схема такого УШР приведена на рис. 2. [7].

Рис. 2. Схема двухобмоточного управляемого реактора производства ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

УВ – управляемый выпрямитель;
СУ – система управления;
НР – нейтральный реактор;
ПТ – преобразовательный трансформатор;
КО – компенсационная обмотка (на рисунке не показана).

УШРТ также имеют различные модификации по исполнению электромагнитной части и тиристорной группы [5, 18]. Первые из них выполнялись трехобмоточными, при этом компенсационная обмотка также соединялась в «треугольник» и содержала дополнительные фильтры 5-й и 7-й гармоник (рис. 3) [17]. УШРТ напряжением 500 кВ производства «Тольяттинского трансформатора» выполняется без КО, то есть двухобмоточным, однако имеет при этом расщепленную вторичную обмотку ОУ с соединением ее секций в трехфазные группы «звезда» и «треугольник», к каждой из которых подключается свой преобразователь. Сдвиг фаз напряжений обмоток в 30 градусов позволяет получить двенадцатифазную схему, обеспечивающую более низкий уровень гармоник и возможность исключить дополнительные КО и силовые фильтры. Однако за счет разделения преобразователя на две тиристорные группы и усложнения системы управления возрастает его стоимость.

Рис. 3. Однолинейная схема УШРТ

ВТВ – высоковольтный тиристорный вентиль;
Q1, Q2 и Q3 – высоковольтные коммутационные аппараты;
ФКЦ – фильтрокомпенсирующая цепь.

Возможно применение решений, полностью исключающих использование полупроводниковых преобразователей в схеме УШРТ, если в них для управления со стороны вторичной обмотки применить группу коммутаторов и реактивных сопротивлений (индуктивных либо емкостных) с соотношением параметров, пропорциональных значениям степенного ряда 2n. В случаях, когда не требуется непрерывное регулирование тока (мощности), такая схема позволяет обеспечить ступенчатое регулирование тока потребления УШРТ подбором комбинации сопротивлений на выводах обмотки управления при отсутствии его искажений высшими гармониками с допустимой точностью и быстродействием [19].

ВЫВОД

В целом управляемые реакторы как новый вид оборудования для интеллектуальных электрических сетей уже подтвердили свою надежность и эффективность за 15 лет их промышленной эксплуатации, а внедрение УШР в энергосистемы России и других стран активно продолжается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы для сети 35–500 кВ // Электротехника. 2003. № 1 (тематический выпуск журнала по УШР).
2. Долгополов А.Г., Соколов С.Е. Управляемые реакторы. Обзор технологий // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3 (75).
3. Долгополов А.Г. Этапы создания УШР – нового оборудования для электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения // Энергетик. 2013. № 6.
4. C. BENGTSSON, Z. GAJIC, M. KHORAMI. Dynamic Compensation of Reactive Power by Variable Shunt Reactors: Control Strategies and Algorithms. Paper C1-303, CIGRE 2012.
5. Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 МВАр пущен в эксплуатацию // Электричество. 2002. № 3.
6. Чванов В.А. Управляемый шунтирующий реактор – объект управления // Электро. 2008. № 2.
7. Бударгин О.М., Макаревич Л.В., Мастрюков Л.А. Управляемый насыщающийся реактор мощностью 180 МВА напряжением 500 кВ ОАО «Электрозавод» // Электро. 2012. № 6.
8. Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Кондратенко Д.В. и др. Воздушные линии с УШР. Однофазное автоматическое повторное включение // Новости ЭлектроТехники. 2011. № 4 (70).
9. Дмитриев М.В, Долгополов А.Г, Кондратенко Д.В. ОАПВ на линиях с УШР // Энергетик. 2012. № 4.
10. Беляев А.Н., Евдокунин Г.А. и др. Обоснование необходимости применения устройств управляемой поперечной компенсации для транзитных электропередач 500 кВ // Электричество. 2009. № 2.
11. Долгополов А.Г., Аристов К.В., Кондратенко Д.В. Быстродействие управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов // Энергетик. 2012. № 6.
12. Дмитриев М.В., Долгополов А.Г., Карпов А.С., Кондратенко Д.В. Шескин Е. Б. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы / Под ред. проф. Евдокунина Г.А. СПб.: Изд. дом «Родная Ладога», 2013 г. – 280 с.
13. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Постолатий В.М., Уколов С.В. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей // Региональные проблемы энергетики. Молдова. 2011. № 3 (17).
14. Долгополов А.Г. Управляемые шунтирующие реакторы. Принцип действия, конструкция, релейная защита и автоматика. Монография. М.: «Энергия», 2014. – 120 с.
15. Евдокунин Г.А., Смоловик С.В. Оценка эффективности снижения потерь активной мощности в элементах электропередачи при применении управляемых шунтирующих реакторов // Энергоэксперт. 2008. № 4.
16. Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г., Шибаева Т.А., Виштибеев А.В. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике // ЭЛЕКТРО. 2010. № 2.
17. Александров Г.Н., Лунин В.П. Управляемые реакторы. Учебное пособие. СПб., 2005.
18. Чуприков В.С., Мологин Д.С. Реализация пилотного проекта УШРТ в энергосистеме Анголы // Энергоэксперт. 2010. № 1.
19. Долгополов А.Г. Способы управления и алгоритмы работы ДГР на основе УШРТ // Энергетик. 2013. № 5.