Реакторы-трансформаторы с выключателями или тиристорными ключами на вторичной стороне
Простейший аппарат такого рода — статический тиристорный компенсатор (СТК) — реактор, последовательно с которым включен тиристорный ключ из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно. Меняя угол включения тиристоров, можно регулировать ток в цепи, следовательно, такой аппарат представляет собой плавно регулируемый реактор с переменной индуктивностью.
Дальнейшим развитием этого рода аппаратов является агрегат, в котором тиристор-ные ключи включаются на вторичной стороне трансформатора. Один из первых агрегатов этого типа описан в [7]. Напряжение короткого замыкания реактора-трансформатора равно или близко к 100%, а ток короткого замыкания близок к номинальному. Для получения таких параметров применяют стержневую конструкцию с концентрическими обмотками. Ток холостого хода трансформатора не превышает 0,5% номинального. Линейность характеристики короткого замыкания обеспечивается до напряжений не менее 150% номинального, что вынуждает выбирать магнитную индукцию ниже обычно применяемой. Главный магнитопровод, но которому замыкается поток холостого хода, — однофазный броневой с боковыми ярмами. При коротком замыкании боковые ярма собирают весь поток, идущий из торцов обмотки. Остальная часть потока замыкается через магнитные шунты.
Аналогично выполнен быстродействующий управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа (БУШТР), разработанный в России (С Петербург).
Он состоит из двух основных частей: трансформаторной части и системы управления. Трансформаторная часть реактора трехфазная, выполнена с масляным охлаждением и имеет три концентрические обмотки: сетевую обмотки (СО), обмотку управления (ОУ) и компенсационную (КО).
Сетевая обмотка подключена непосредственно к сети без выключателя. ОУ замыкается ключом. При замкнутом ключе имеет место режим короткого замыкания трансформатора, по сетевой обмотке и по обмотке управления протекают номинальные токи. При разомкнутом ключе трансформатор работает в режиме холостого хода, и по сетевой обмотке протекает ток намагничивания, составляющий доли процента от номинального тока. Соответственно, реактор имеет максимальное индуктивное сопротивление. Крайние значения тока реактора отличаются примерно в 200 раз.
При использовании в качестве ключа быстродействующего выключателя (например, вакуумного) может быть обеспечено только два существенно различных значения тока реактора. При этом неизменность потокосцепления реактора обеспечивает отсутствие перенапряжений на высоковольтной обмотке реактора, что видно из осциллограмм на рис. 7. При замыкании ОУ в токе реактора возникает апериодическая составляющая, затухающая в течение довольно продолжительного времени. Однако амплитуда переменной составляющей тока реактора устанавливается с первого же полупериода, после замыкания ОУ, что обеспечивает время отклика реактора, равное одному полупериоду промышленной частоты. С учетом времени срабатывания вакуумного выключателя полное время отклика реактора составляет около 30 мс.
Рис. 7. Осицилограммы напряжения на линии (а), тока в сетевой обмотке реактора (6), ток в линии (в) и ток в обмотке управления реактора при коммутации ОУ вакуумным выключателем.
Рис. 8. Схема соединений обмоток УШТР.
Рис. 10. Зависимость тока в СО реактора от угла зажигания тиристоров при различных отношениях номинальных емкостного и индуктивного тока /сном/Лном = 045 VY, 0,2 (2); 0,4 (J); 0,6'(4); 0,8 (5); 1,0 (6).
Рис. 9. Ток через ОУ при полностью проводящем тиристорном блоке (/) и при неполном времени горения тиристоров.
При использовании в качестве ключа в ОУ тиристорного блока (рис. 8), состоящего из встречно-параллельно включенных тиристоров, может быть обеспечено непрерывное регулирование тока реактора от минимального значения при запертых тиристорах до максимального при полностью проводящих тиристорах. Крайние значения тока реактора остаются прежними, однако изменяя угол включения тиристоров (см. рис. 9), можно получить любое промежуточное значение тока в сетевой обмотке реактора от минимального до максимального.
Использование тиристорного ключа при промежуточных значениях угла включения тиристоров обуславливает прерывистость тока в ОУ, вследствие чего в этом токе возникают нечетные высшие гармоники.
Для подавления высших гармонических и служит дополнительная КО, расположенная между СО и ОУ. При трехфазном исполнении третья гармоническая, имеющая наибольшую амплитуду, в данном реакторе, как и в реакторе, описанном в [7], подавляется пуз ем соединения трех фаз КО в треугольник. При этом ток третьей гармоники и других гармоник, кратных трем, в СО отсутствует.
Для подавления пятой и седьмой гармоник к трем фазам КО подключаются фильтры, настроенные на эти гармоники (рис. 9). Фильтры состоят из последовательно соединенных конденсаторов и реакторов.
При промышленной частоте сопротивление фильтров имеет емкостный характер. Поэтому при наличии фильтров при разомкнутой ОУ по СО протекает емкостный ток на уровне 4—5 % от номинального тока реактора.
Этот ток можно увеличить путем подключения к КО батареи конденсаторов. В зависимости от емкости батареи можно получить разные значения номинального емкостного тока при разомкнутой ОУ (см. рис. 10). При этом наличие конденсатора оказывает незначительное влияние на номинальный индуктивный ток реактора, поскольку при замкнутой ОУ напряжение на КО также резко снижено по отношению к номинальному напряжению (при разомкнутой ОУ).
Таким образом, управляемый реактор трансформаторного типа представляет собой универсальное устройство компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередачи.
При этом оно может подключаться непосредственно к линиям, поскольку не нуждается в трансформаторе. Управление этим устройством осуществляется на стороне низкого напряжения одним тиристорным блоком.
Система управления реактором обеспечивает оптимальные его характеристики во всех возможных режимах работы энергосистемы. Управление осуществляется микропроцессором, регулирующим угол включения тиристоров и соответственно — ток в ОУ. Основным каналом непрерывного регулирования тока реактора является канал тока в линии. Измеряемый трансформатором тока ток в линии / поступает на соответствующий вход микропроцессора, (преобразованный в напряжение), где происходит его сравнение с натуральным током линии 4 и вычисление необходимого тока в реакторе .
Этот рассчитанный микропроцессором ток в реакторе, соответствующий режиму передачи электроэнергии, сравнивается с измеряемым с помощью трансформатора тока током в СО реактора 1рмш. Если разность 1р — — L изм положительна, микропроцессор вырабатывает команду на увеличение тока реактора (на уменьшение угла включения тиристоров). Напротив, при отрицательной разности 1р — //7ИЗМ микропроцессор вырабатывает команду на уменьшение тока реактора. В результате при любом токе в линии обеспечивается компенсация ее избыточного зарядного тока. Более того, если ток в линии / > /н, а реактор снабжен конденсаторной батареей на КО, микропроцессор выработает команду на увеличение угла включения тиристоров, чтобы скомпенсировать потребление линией реактивного тока.
Непрерывная компенсация избыточного реактивного тока линии обеспечивает стабилизацию напряжения на линии, поскольку при этом перепад напряжения вдоль линии определяется только падением напряжения на активном сопротивлении, которое очень мало. При этом по условию ограничения колебаний напряжения на участке линии между соседними реакторами расстояние между ними не должно превышать 600 км при частоте 50 Гц и 500 км при 60 Гц.
Система управления имеет дополнительный канал регулирования по напряжению. В отличие от основного канала он дискретный, т. е. действует только в том случае, когда напряжение выходит за заданные диспетчером допустимые пределы изменения (например, превосходит наибольшее рабочее напряжение либо опускается ниже номинального). В этом случае первый канал управления блокируется, и микропроцессор вырабатывает команду на увеличение тока реактора до номинального индуктивного (при превышении наибольшего рабочего напряжения), либо на уменьшение тока реактора до нуля (при снижении напряжения ниже номинального), либо до номинального емкостного тока, если имеется конденсатор на КО (рис. 2). После установления допустимых значений напряжения второй канал блокируется и снова вступает в действие первый канал.
При любой коммутации линий (включении или отключении) на микропроцессор (МК) поступает пилот-сигнал оперативного управления выключателем, на который МК реагирует без задержек командой на увеличение тока реактора до номинального индуктивного. Поэтому ко времени завершения операции включения либо отключения линейного выключателя тиристорный ключ оказывается полностью включенным, что соответствует номинальной индуктивной мощности реактора. В результате все электромагнитные переходные процессы протекают при глубоком ограничении вынужденной составляющей перенапряжений.
После завершения переходного процесса включения линии система управления автоматически возвращается к регулированию тока реактора по току в линии при заданной уставке времени переходного процесса.
В случае короткого замыкания на линии система управления реактором настраивает его автоматически на компенсацию емкостного тока подпитки дуги КЗ, чем способствует быстрому погасанию дуги.
Рис. 11. Зависимость отношения амплитуд токов высших гармонических к амплитуде номинального тока основной частоты от относительной величины тока в СО: 1 — третья гармоника; 2 — пятая гармоника; 3— седьмая гармоника.
Рис. 12. Внешний вид УШТР 420 кВ, 50 Мвар.
При повреждении реактора система его защиты вырабатывает команду на уменьшение тока до минимального, что позволяет отключить реактор разъединителем. Поэтому для подключения реактора выключатель не нужен, что является отличительной особенностью управляемого реактора .
Наличие значительного потока рассеяния при замкнутой обмотке управления требует принятия специальных мер по канализации этого потока во избежание его проникновения в стенки бака и другие конструктивные элементы реактора. Для сбора этого потока и направления его в ярма применены магнитные шунты из электротехнический стали. Эти шунты прикрывают с обеих сторон торцы обмоток и межобмоточное пространство. По ним магнитный поток, выходящий из зоны обмоток, и переходит в ярма через тонкий изоляционный промежуток между шунтами и ярмом, необходимый для исключения замыкания листов электрической стали ярма шунтом и наоборот.
При наличии магнитных шунтов лишь небольшая часть магнитного потока отклоняется от направления вдоль оси обмоток, что приводит к резкому уменьшению добавочных потерь в крайних витках обмоток. В результате добавочные потери в реакторе сводятся к минимуму и суммарные потери мощности в реакторе при номинальном токе составляют около 0,5% номинальной мощности реактора.
Первые промышленные образцы управляемого реактора трансформаторного типа созданы индийской фирмой BHEL . Один из них мощностью 2 Мвар, 11 кВ в трехфазном исполнении был создан для выполнения подробных исследований всех характеристик реактора. Длина реактора составила 3,5 м, высота и ширина бака — 1 м. При испытаниях были подтверждены расчетные характеристики реактора и качество фильтрации высших гармоник, уровень которых не превышал 1—2% от номинального тока реактора (см. рис. 11). Измеренная номинальная индуктивность реактора отличается от расчетной величины на 1 %.
Второй промышленный образец предназначался для установки на промежуточной подстанции 400 к В в г. Итарси для ограничения колебаний напряжения на линии 400 кВ. Его мощность 50 Мвар, исполнение — трехфазное. Длина его бака 8 м, ширина и высота бака — 2 м (см. рис. 12). Потери мощности в реакторе при номинальном токе составил.! 0,63% от его номинальной мощности. Реактор был официально пущен в эксплуатацию в начале ноября 2001 г. Он работает исправно, никаких замечаний у эксплуатационного персонала нет.