Трансформаторное оборудование

Способы решения проблемы недостаточной электродинамической стойкости обмоток высоковольтных силовых трансформаторов при коротком замыкании (КЗ) продолжают интересовать российских энергетиков и электротехников. Поэтому и наш журнал, и другие специальные издания не прекращают публиковать всё новые и новые работы, посвященные совершенствованию НТД, технологий и средств диагностики и испытаний, развитию методов расчета и экспертизы, модернизации оборудования испытательных стендов. Специалисты в полной мере осознают необходимость нормализовать ситуацию в этой сфере и предлагают возможные решения.

В новом материале наши авторы обосновывают целесообразность продольной емкостной компенсации реактивной мощности во время опытов КЗ, позволяющей проводить электродинамические испытания силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 630 МВА в заводских испытательных центрах.

ИСПЫТАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА СТОЙКОСТЬ К ТОКАМ КЗ
Исключение влияния на прилегающую сеть

Алексей Кувшинов, д.т.н., Тольяттинский государственный университет
Александр Хренников, д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва
Игорь Шкуропат, к.т.н., Электрощит Самара, г. Самара
Ильяс Галиев, аспирант, кафедра ИИТ, НИУ МЭИ
Николай Александров, аспирант, кафедра АЭЭС, СамГТУ
Роман Мажурин, филиал ПАО «ФСК ЕЭС» – МЭС Юга, г. Пятигорск

Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам короткого замыкания (КЗ) предъявляют серьезные технологические требования к питающей энергосистеме или требуют наличия дорогостоящих ударных генераторов для обеспечения высокой мощности КЗ на шинах испытательного стенда (10–25 ГВА). Такие испытания возможны только в условиях мощных испытательных центров, на шинах которых питающая энергосистема обеспечивает соответствующую мощность КЗ.

Проблема состоит в том, что опыты КЗ негативно влияют на питающую энергосистему. Они способны вызвать провал напряжения продолжительностью до 0,2 с и даже привести к потере динамической устойчивости. В результате ухудшаются качество и надежность электроснабжения остальных потребителей питающей сети.

Мощность КЗ на шинах испытательного стенда [1] должна на порядок и более превышать номинальную мощность испытуемого силового трансформатора [2]. Например, для проведения электродинамических испытаний силового трансформатора ТЦ-666000/500 мощность КЗ питающей энергосистемы на шинах испытательного стенда должна составлять ≈ 21,3 ГВА [3].

Кроме того необходимо принимать во внимание, что электродинамические испытания силовых трансформаторов сопровождаются доминирующим потреблением реактивной мощности, превышающим в 65–204 раза потребление активной мощности.

Избежать указанных трудностей и одновременно обеспечить требуемую величину испытательного тока короткого замыкания можно путем снижения полной мощности, по­требляемой из питающей энергосистемы. Эту задачу можно решить с помощью компенсации реактивной мощности при проведении опытов КЗ.

Расчет необходимой мощности

Во время опыта КЗ, который протекает без апериодической составляющей тока, из питающей энергосистемы потребляется активная мощность:

, (1)

где ΔP_K – паспортное значение потерь КЗ испытуемого силового трансформатора;
ΔP*_K = ΔP_K / S_НОМ – относительная величина потерь КЗ испытуемого силового трансформатора;
Sном – номинальная мощность испытуемого силового трансформатора;
φ – угол фазового сдвига тока КЗ относительно фазной ЭДС питающей энергосистемы.

Реактивная мощность, потребляемая из питающей энергосистемы во время проведения опыта КЗ, определяется выражением:

, (2)

где S_КЗ – мощность КЗ питающей энергосистемы на шинах испытательного стенда;
S*_КЗ = S_КЗ / S_НОМ – относительная величина мощности КЗ;
u_К% – напряжение КЗ испытуемого трансформатора.

Анализ паспортных данных силовых трансформаторов с номинальной мощностью 25–630 МВА и номинальным напряжением 110–500 кВ позволяет заключить, что при проведении опытов КЗ потребление реактивной мощности примерно в 65–204 раза превышает величину потребляемой активной мощности даже при питании испытательного стенда от шин бесконечной мощности.

Продольная емкостная компенсация

Потребляемая во время опыта КЗ полная мощность может быть снижена до значения P*_S путем полной компенсации реактивной мощности. В этом случае мощность КЗ питающей энергосистемы может быть многократно уменьшена.

На рис. 1 показана структурная схема (а) и схема замещения (б) стенда электродинамических испытаний с продольной емкостной компенсацией реактивной мощности.

Рис. 1. Структурная схема (а) и схема замещения (б) стенда электродинамических испытаний с продольной емкостной компенсацией

Конденсаторная батарея (КБ) обеспечивает компенсацию индуктивной составляющей сопротивления КЗ (x_T) испытуемого силового трансформатора ИТ и эквивалентного индуктивного сопротивления (x_S(K)) питающей энергосистемы. Для указанной номенклатуры силовых трансформаторов (S_ном от 25 до 630 МВА, U_НОМ от 110 до 500 кВ) величина емкостного сопротивления КБ должна составлять x_КБ = 6,1–190 Ом. Соответственно емкость конденсаторной батареи КБ должна составлять С_КБ = 16,75–521,82 мкФ.

Опыты КЗ могут проводиться как без предварительного заряда конденсаторной батареи КБ, так и при предварительно заряженной конденсаторной батарее КБ с помощью маломощного зарядного устройства до напряжения, соответствующего номинальному напряжению испытуемого силового трансформатора ИТ.
Высоковольтный сильноточный полупроводниковый ключ (ВСПК) обеспечивает начало опыта КЗ в заданный момент времени, соответствующий необходимой фазе ЭДС питающей энергосистемы, и должен выдерживать напряжение, соответствующее номинальному напряжению испытуемого силового трансформатора [4].

Мгновенные значения напряжения u_КБ(t) конденсаторной батареи КБ при мгновенных значениях ЭДС питающей энергосистемы:

начальном напряжении U_C0, выполнении условия полной компенсации и при соотношении параметров (x_S(К) + x_T) L r_Σ определяются выражением:

(3)

где – декремент колебаний напряжения конденсаторной батареи КБ;
r_Σ = (r_T + R_Д) – суммарное активное сопротивление контура протекания испытательного тока КЗ.

Мгновенные значения тока i_КЗ(t), протекающего через испытуемый силовой трансформатор ИТ, определяются выражением:

(4)

РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

В зависимости от величины напряжения U_C0 предварительного заряда конденсаторной батареи КБ возможны три режима электродинамических испытаний силовых трансформаторов.

На рис. 2 показаны временные диаграммы мгновенных значений испытательных токов КЗ для различных режимов электродинамических испытаний, которые могут быть реализованы на стенде с продольной емкостной компенсацией. Мгновенные значения испытательных токов i^*_КЗ(t) представлены в долях установившегося тока КЗ.

Рис. 2. Временные диаграммы испытательных токов короткого замыкания

а) предварительное размагничивание испытуемого силового трансформатора;
б) наладочный опыт с плавным увеличением тока КЗ;
в) зачетный опыт короткого замыкания без апериодической составляющей;
г) зачетный опыт с апериодической составляющей тока КЗ
и заданной величиной ударного коэффициента

Выключатели В1 и В2 позволяют изменять структуру испытательного стенда в соответствии с выбранным режимом испытания:

• предварительное размагничивание магнитной системы испытуемого силового трансформатора ИТ (рис. 2а) при затухающем колебательном разряде конденсаторной батареи КБ через ВСПК, дополнительный резистор R_Д и выключатель В2 (выключатель В1 выключен);
• наладочные опыты плавного увеличения тока КЗ (рис. 2б) через ВСПК и выключатель В1 при разряженной конденсаторной батарее КБ (выключатель В2 отключен);
• зачетные опыты КЗ с предварительно заряженной батареей КБ до напряжения, обеспечивающего необходимую величину ударного коэффициента (рис. 2 в, г).

При U_C0 = 0 опыт КЗ сопровождается плавным увеличением напряжения конденсаторной батареи КБ и тока КЗ до установившихся значений (рис. 2б). Напряжение, приложенное к испытуемому силовому трансформатору, во время опыта КЗ также будет плавно возрастать.

Данный режим испытаний целесообразно использовать для уточнения параметров испытуемого силового трансформатора, конденсаторной батареи КБ, испытательного стенда в целом перед проведением зачетных опытов КЗ. Имеется возможность обнаружения скрытых дефектов обмоток испытуемого силового трансформатора на ранней стадии до проведения зачетных опытов КЗ.

При опыт КЗ протекает без апериодической составляющей (рис. 2в). Относительная величина реактивной мощности конденсаторной батареи определяется выражением [5]:

. (5)

Учитывая значения напряжений КЗ u_k% испытуемых силовых трансформаторов, можно определить Q*_КБ = (2,38–3,18).

Мощность, потребляемая во время проведения опыта КЗ из примыкающей энергосистемы, определяется только мощностью потерь в активной составляющей сопротивления КЗ испытуемого силового трансформатора:

. (6)

При значениях напряжений КЗ (10,5–14)% потребляемая мощность составит P_S(k) = (17–30,2) · ΔP_k, и определяется только мощностью потерь КЗ.

При необходимости опыт КЗ может быть проведен с заданной величиной ударного тока (рис. 2г).

Необходимую величину ударного коэффициента К_УД можно обеспечить путем предварительного заряда конденсаторной батареи КБ до напряжения:

. (7)

Таким образом, выбирая напряжение предварительного заряда конденсаторной батареи КБ, можно обеспечить весь спектр режимов электродинамических испытаний силовых трансформаторов.

Для проведения электродинамических испытаний широкой номенклатуры силовых трансформаторов необходим регулируемый источник переменного напряжения с номинальным действующим напряжением 6 кВ и диапазоном регулирования 1,5–7,5 кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продольная емкостная компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторной батареи позволяет уменьшить величину потребляемой при электродинамических испытаниях из питающей энергосистемы мощности в 65–204 раза в зависимости от типа испытуемого силового трансформатора, а предварительный заряд конденсаторной батареи от маломощного высоковольтного зарядного устройства позволяет обеспечить разнообразные токовые режимы.

В итоге осуществление продольной емкостной компенсации во время опытов короткого замыкания – целесообразное решение, позволяющее проводить электродинамические испытания силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 630 МВА в условиях заводских испытательных центров от регулируемого источника переменного напряжения с диапазоном регулирования 1,5–7,5 кВ и мощностью 22 МВт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Электродинамические испытания для повышения надежности трансформаторно-реакторного оборудования (ТРО), существующая испытательная база и возможности испытаний ТРО в будущем // ЭЛЕКТРО. 2012. № 5.
2. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Мощный испытательный центр в России. Технические и организационные факторы // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3(75).
3. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов. М.: Энергоатомиздат, 2007.
4. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Высоковольтный тиристорный вентиль для электродинамических испытаний силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2014. № 2.
5. Хренников А.Ю., Кувшинов А.А., Мажурин Р.В., Радин П.С., Галиев И.Т. Электродинамические испытания силовых трансформаторов: Основные требования к коммутационному оборудованию // Энергетик. 2017. № 1.