Обобщенная электрическая схема управляемого шунтирующего реактора на примере реактора РТУ-100000/220 показана на рис. 1. Внешний вид реактора РТУ-100000/220 на подстанции «Чита» показан на рис. 2. Реактор является комплексом электротехнического оборудования, имеющим 5 составных частей: электромагнитную часть РТДУ, трансформатор с преобразователем ТМП, систему управления СУРЗА, устройство коррекции формы тока УКФ и нейтралер ФМЗО.
Рис. 1. Состав и принципиальная схема комплекса электротехнического оборудования управляемого подмагничиванием реактора РТУ-100000/220, принципиальная схема включения реактора в электрическую сеть 1 — электромагнитная часть РТДУ-100000/220, 2 - трансформатор со встроенным преобразователем, 3 — система управления, регулирования, защит и автоматики (СУРЗА), 4 — устройство коррекции формы тока (УКФ), 5 — нейтралер (ФМЗО).
Рис. 2. Управляемый подмагничиванием реактор РТУ-100000/220 на подстанции «Чита» МЭС Сибири.
Электромагнитная часть шунтирующего УР представляют собой трехфазное электромагнитное устройство трансформаторного типа, размещенное в маслонаполненном баке и предназначенное для наружной установки. Магнитопровод — трехфазный многостержневой. Он выполняется без немагнитных зазоров, чем достигается небольшой уровень вибрации и шума. Например, измеренный при испытаниях на заводе уровень звука реактора РТУ-100000/220 составляет 79 дБА, что соответствует уровню звука трансформатора той же мощности. В частотном спектре шума УР содержится большая доля гармоники 50 Гц (в шуме трансформаторов основная гармоника шума 100 Гц). Поэтому шум УР при его работе на подстанции первоначально воспринимается несколько непривычно. На стержнях трехфазного магнитопровода располагаются три фазы сетевой обмотки, обмотки управления (подмагничивания) и три фазы компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка выполняет несколько важных функций. Во-первых, она питает трансформатор преобразователя для подмагничивания реактора. Во-вторых, компенсационная обмотка соединена в треугольник, в этом треугольнике замыкаются высшие гармоники тока, кратные трем, поэтому в сетевом токе реактора этих гармоник нет. В-третьих, к компенсационной обмотке подключается индукционно-емкостной фильтр для снижения высших гармоник в токе реактора. Из-за наличия в реакторе РТУ-100000/220 компенсационной обмотки он фактически является и реактором, и трансформатором. Компенсационная обмотка имеет сечение меди, соответствующее примерно 20% мощности реактора. Подсоединение к обмотке конденсаторной батареи (для снижения 5-ой и 7-ой гармоник тока в сетевой обмотке) приводит к тому, что при отсутствии подмагничивания реактор становится не потребителем, а источником реактивной мощности. Часть мощности конденсаторной батареи (ее мощность составляет 4 % мощности реактора) расходуется на покрытие намагничивающей реактивной мощности холостого хода трансформатора, поэтому минимальная мощность реактора не нулевая (или малая положительная), а небольшая отрицательная (около 2,5 %). В реакторах серии РТУ имеется перспектива повышения мощности компенсационной обмотки, в этом случае компенсационная обмотка может быть использована не только для подсоединения более мощной конденсаторной батареи, но и как обмотка собственных нужд подстанции.
Преобразователь, необходимый для питания обмоток управления реактора (управляемый тиристорный выпрямитель), размещен в масляном баке с естественным охлаждением и питается от масляного трансформатора. Номинальная мощность преобразователя и трансформатора не превышает 1 % от номинальной мощности реактора. Преобразователь с трансформатором (составная часть реактора ТМП) смонтированы на одной раме, они размещаются на открытой площадке подстанции. Система управления, регулирования, защит и автоматики (СУРЗА) — электронное устройство, выполненное в виде шкафа и размещенное в помещении щита управления подстанции. Заземляющий фильтр нулевой последовательности — нейтралер (ФМЗО) представляет собой трехфазный масляный трансформатор без вторичной обмотки со схемой соединения «равноплечий зигзаг», он размещается на открытой площадке подстанции.
Работу УПР лучше всего пояснить на примере типовой однофазной конструкции.
Магнитная система такого реактора содержит два основных расположенных рядом вертикальных стержня с обмотками, два боковых вертикальных ярма, а также горизонтальные ярма — верхнее и нижнее. На каждом стержне размещены обмотки управления, соединенные встречно, и сетевые обмотки, соединенные согласно. Возможен вариант конструкции, когда сетевая обмотка одна и охватывает оба стержня.
На рис. 3 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу УПР.
При подключении обмотки к электрической сети переменного тока и не включенном управляющем источнике постоянного тока (например, преобразователе, управляемом выпрямителе) в средних стержнях возникают одинаковые по величине и направлению переменные магнитные потоки с амплитудой фт, замыкающиеся через боковые стержни магнитной системы. Амплитуда потоков фт примерно равна потоку насыщения стержней ф5 (это соответствует наиболее рациональному использованию стали стержней), а постоянный магнитный поток отсутствует. Во всех сечениях магнитной системы поток не превышает поток насыщения ф5 (равный индукции насыщения стали, помноженной на сечение стали), поэтому ток реактора близок к нулю. Такой режим работы реактора называют режимом холостого хода. График изменения электрического тока, напряжения сети, магнитных потоков в стержнях показан для случая холостого хода на рис. 3 в интервале времени от t0 дo t1.
Регулирование мощности реактора осуществляется путем изменения постоянного
тока в обмотках управления, получаемого от регулируемого преобразователя (выпрямителя). При подключении выпрямителя к обмоткам управления в них возникает ток, который приводит к возникновению и нарастанию потока подмагничивания ф0 (постоянной составляющей в кривой потока). В соседних стержнях этот поток ф0 направлен в разные стороны (из-за встречного включения обмоток управления), поэтому он замыкается в основном по кратчайшему пути через часть ярем, расположенных между стержнями. Так как на поток подмагничивания ф0 накладывается переменный поток 0s, результирующий поток начинает смещаться в область насыщения стали, т. е. стержни оказываются насыщенными некоторую часть периода. Насыщение стержней приводит к возникновению и возрастанию тока в сетевой обмотке. При небольшом напряжении на обмотке управления стержни насыщены малую часть полупериода синусоиды, ток реактора оказывается искаженным, в нем присутствуют высшие гармоники (интервал времени от //до t2), поэтому такой режим использовать как номинальный режим не рационально.
При увеличении постоянного напряжения на обмотке управления поток подмагничивания увеличивается, увеличиваются интервалы времени внутри каждого периода, когда стержень находится в насыщенном состоянии (т. е. когда поток стержня больше потока насыщения Ф5), в соответствии с этим увеличивается и сетевой ток. После достижения такого состояния, когда магнитный поток стержня весь период оказывается равным или большим потока насыщения, сетевой ток достигает максимально возможного значения и дальше уже не повышается, т. к. дифференциальная магнитная проницаемость насыщенной стали становится близкой к проницаемости вакуума (на осциллограмме это максимальный режим, интервал времени от t4 до t5). В этом режиме реактор становится линейной индуктивностью, в токе высшие гармоники почти отсутствуют. Однако этот режим характеризуется большим током в обмотках управления, т. е. большими потерями в этих обмотках. Поэтому и этот режим использовать как номинальный не рационально, он используется как режим форсировки мощности.
Рис. 3. Осциллограммы потребляемого из сети электрического тока управляемого подмагничиванием реактора (1), напряжения электрической сети (2), и магнитных потоков в средних стержнях магнитной системы (3 и 4).
На рис. 3 видно, что существует особенный промежуточный режим (интервал времени от t2 до t3), при котором поток подмагничивания Ф0 равен амплитуде переменного магнитного потока Фт. При этом режиме время насыщенного состояния каждого из стержней одинаково и равно половине периода синусоиды, причем за счет разных направлений переменного потока Фш и постоянного потока Ф0 в стержнях, охватываемых сетевой обмоткой, одну половину периода насыщен один стержень, а другую — другой. Рассматриваемый режим поэтому называется режимом полупериодного насыщения. В этом режиме в токе реактора высшие гармоники практически отсутствуют, и ток имеет чисто синусоидальную форму. Этот режим получается в том случае, когда выполняется необходимое сочетание размеров магнитной системы и обмоток реактора. Обычно УПР проектируется таким образом, чтобы его номинальный режим был режимом, близким режиму полупериодного насыщения.
Регулированием подмагничивания изменяется мощность УР. Пример переходного процесса от режима потребления минимальной мощности (практически нулевой) к номинальной (а) и обратный переход к режиму холостого хода (б) реактора РТУ-100000/220 показан на осциллограммах рис. 4. Регулировочная характеристика УР РТУ-100000/220 — зависимость тока реактора (/(Ь) от тока подмагничивания — показана на рис. 5.
Рис. 4. Пример переходного процесса от режима потребления минимальной мощности или мощности холостого хода (практически нулевой) к номинальной (а) и обратный переход к режиму холостого хода (б). На осциллограммах сверху вниз: кривая напряжения в сети 220 кВ, кривая тока одной фазы управляемого реактора РТУ-100000/220, кривая тока подмагничивания. Внизу дана шкала времени в секундах.
Рис. 5. Полученные при сетевых испытаниях на подстанции «Чита» регулировочная характеристика реактор РТУ-100000/220 — зависимость тока реактора (/ф) от тока подмагничивания, а также зависимости от тока подмагничивания тока искажения /иск при включении устройства коррекции формы кривой тока УКФ (полная схема) и его отключении (без УКФ).