УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР-АВТОТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2007 года по МПК H01F29/14 G05F1/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым реакторам-автотрансформаторам (УРАТ), и может быть использовано для компенсации избыточной реактивной мощности высоковольтной линии электропередачи и изменения на ней в широких пределах общего уровня напряжения.

Известен управляемый реактор-трансформатор (УРТ), имеющий трехфазные первичную и вторичную обмотки, причем последняя совмещена с обмоткой подмагничивания постоянным током (Авторское свидетельство СССР №1541681, класс H01F 29/14 [1]).

УРТ предназначен для использования на понижающих подстанциях распределительных сетей в качестве трансформатора и одновременно регулируемой индуктивности компенсатора реактивной мощности, включающего в свой состав батарею статических конденсаторов. При полной нагрузке подстанции УРТ работает как трансформатор, ток подмагничивания равен нулю. Если нагрузка мала - УРТ работает в реакторном режиме. При промежуточной нагрузке УРТ выполняет функцию и управляемого реактора и силового трансформатора с соответствующей степенью загрузки активной и реактивной мощностями.

Известен также трехфазный совмещенный УРАТ, предназначаемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и обладающий возможностью непосредственного подключения к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР №1781711, класс H01F 29/14 [2]). Изменение реактивной мощности, потребляемой УРАТ, осуществляется путем изменения тока обмотки управления, охватывающей один из стержней фазового модуля. Величина тока этой обмотки регулируется встречно-параллельно включенными в ее цепь тиристорами. Изменение угла зажигания тиристоров приводит к снижению (увеличению) указанного тока, но при этом генерируются высшие гармоники в токе основной обмотки УРАТ. Для устранения нечетных гармоник УРАТ снабжен фазосдвигающими и компенсационными обмотками, что усложняет конструкцию устройства. Основная обмотка УРАТ, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод. Этот магнитопровод подмагничивается постоянным током. Если подмагничивание отсутствует, то напряжение на обмотке ДАТ, включенной последовательно в основную обмотку, возрастает, а при определенном уровне подмагничивания - снижается. Таким образом может регулироваться напряжение на среднем выводе основной обмотки УРАТ, подключаемом, например, к линии электропередачи (ЛЭП). Однако напряжение изменяется в пределах (8-14)%, что недостаточно для осуществления глубокого регулирования напряжения на линии. При наличии избыточной реактивной мощности в ЛЭП УРАТ имеет меньшую загрузку по активной мощности и может быть в большей степени загружен как реактор (большее потребление реактивной мощности из ЛЭП). Увеличение потребления этой мощности сопровождается увеличением напряжения на ЛЭП, подключенной к среднему выводу основной обмотки.

Все управляемые шунтирующие реакторы (УШР) с подмагничиванием сердечника постоянным током, в том числе и реакторы-трансформаторы типа [1] и [2], имеют серьезные недостатки:

- повышенное содержание гармонических составляющих в токе основной обмотки, вызываемое насыщением сердечника и работой тиристоров при неполных углах открытия;

- большая инерционность реактора, связанная с наличием постоянной составляющей в магнитном потоке;

- сложная схема управления, включающая фазосдвигающие и компенсационные обмотки.

Указанные недостатки реакторов в значительной степени устранены в УШР трансформаторного типа (Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 Мвар, пущен в эксплуатацию. Электричество, 2002, №3 [3]). УШР трансформаторного типа (ТТ) состоит из пятистержневого сплошного магнитопровода и трех обмоток. Три основных стержня окружены обмотками трех фаз реактора, два добавочных замыкают ярма. Обмотка управления (ОУ) примыкает к стержню, далее следует компенсационная обмотка (КО) и снаружи сетевая обмотка (СО), которая предназначена для постоянного подключения к ЛЭП. ОУ замыкается тиристорным автоматически управляемым блоком. КО предназначена для компенсации высших гармонических и соединяется в треугольник.

Напряжение короткого замыкания УШР ТТ составляет примерно 100%, что обеспечено увеличением межобмоточного расстояния и числа витков обмоток по сравнению с трансформатором той же мощности. Изменение тока ОУ, осуществляемое тиристорными блоками, приводит к вытеснению магнитного потока из основного стержня и, как следствие, увеличению сопротивления этому потоку, что приводит к увеличению тока намагничивания УШР (тока СО УШР).

Заводские испытания УШР ТТ показали:

- добавочные потери в реакторе составляют 10% полных потерь;

- уровень высших гармонических и уровень акустических шумов не превышает допустимых значений [3].

Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются в основном для поддержания напряжения в контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное с нагрузкой регулирование общего уровня напряжения на этой ЛЭП (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. "Высшая школа", 1966 [4]). В какой-то мере такой режим может обеспечиваться описанным выше УРТ и УРАТ. Однако в силу технического несовершенства и недостаточного диапазона регулирования напряжения использование их для оптимального управления режимами протяженных ЛЭП весьма проблематично.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является УРАТ по [2], предназначаемый для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которой может быть подключена ЛЭП.

Цель изобретения - совмещение в УРАТ функций регулирования реактивной мощности и регулирования в широком диапазоне напряжения на ЛЭП.

Поставленная цель достигается тем, что управляемый реактор-автотрансформатор, содержащий магнитопровод с ярмами и основным стержнем, расположенные на основном стержне: основную обмотку, состоящую из последовательной и параллельных частей со средним выводом между ними, компенсационную обмотку, соединенную в треугольник, управляющую обмотку, замкнутую на тиристорные управляемые блоки, выполнен так, что последовательная часть основной обмотки содержит две секции, включенные встречно, а управляющая обмотка охватывает по всей высоте одну из указанных секций. Кроме того, к компенсационной обмотке подключаются фильтры высших гармоник, а крайние выводы последовательной обмотки подключены через коммутационные аппараты к шинам подстанции и линии электропередачи.

Конструкция УРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего основной стержень 1, боковые ярма 2, торцевые ярма 3, кольцевые с разрезом магнитные шунты 4, верхней секции последовательной обмотки 5, нижней секции последовательной обмотки 6, включенной встречно обмотке 5, параллельной обмотки 7, управляющей обмотки 8, компенсационной обмотки 9 (фиг.1).

Верхняя 5 и нижняя 6 секции последовательной обмотки УРАТ включены встречно, причем верхняя секция 5 охвачена по всей высоте управляющей обмоткой 8. Компенсационная обмотка 9 расположена в воздушном зазоре между обмотками 7 и 8.

На фиг.2 показана принципиальная схема УРАТ. Обмотки 5, 6 и 7 включены по автотрансформаторной схеме со средним выводом 10. Управляющая обмотка 8, охватывающая верхнюю секцию последовательной обмотки 5, замкнута на автоматически регулируемый тиристорный блок 11. Компенсационная обмотка 9, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении, подключена к фильтрам 5-й и 7-й гармонических, обозначенных соответственно 12, 13, состоящих из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники.

Управляющая обмотка 8 замыкается на тиристорный блок 11, рассчитанный на полную мощность УРАТ. При запертых тиристорах ток в обмотке 8 отсутствует и УРАТ потребляет из сети незначительную реактивную мощность для обеспечения намагничивания стали. Если число витков встречно включенных обмоток 5 и 6 одинаково, то электродвижущие силы в них, образованные основным магнитным потоком УРАТ, равны и имеют противоположное направление. Поэтому напряжение шин передающей подстанции, приложенное к зажиму 14, будет примерно равно напряжению на среднем зажиме 10, к которому подключается ЛЭП (см. фиг.3). При полном коротком замыкании обмотки 8 реактивная мощность УРАТ, потребляемая из ЛЭП, равна максимальному (расчетному номинальному) значению. Напряжение, приложенное к последовательно включенным обмоткам 5, 6 и 7, равно напряжению шин передающей подстанции. Это возможно, так как напряжение короткого замыкания между основной обмоткой УРАТ и его обмоткой 8 равно примерно 100%. Последнее достигается пространственным расположением обмоток в окне магнитопровода (увеличение межобмоточного расстояния) и увеличением числа витков обмоток.

Короткозамкнутая обмотка управления 8 не может иметь потокосцеплений с основным магнитным потоком УРАТ. Следовательно в номинальном режиме работы УРАТ магнитный поток должен замыкаться таким образом, чтобы суммарное его потокосцепление с обмоткой управления 8 было равно нулю при обеспечении необходимого числа потокосцепления с основной обмоткой (последовательно включенные обмотки 5, 6 и 7). Это означает, что основная часть магнитного потока проходит вне управляющей обмотки 8, то есть в межобмоточном пространстве (на фиг.1 это соответствует пространству между обмотками 7 и 8), и в объеме, занимаемом обмотками.

В УРАТ при номинальном реактивном токе в воздух вытесняется практически весь магнитный поток (Александров Г.Н. К методике расчета управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа. Электричество, 1998, №4 [5]). Потокораспределение в этом режиме показано пунктиром на фиг.1. Мощный магнитный поток в воздухе может вызвать добавочные потери. Для его сбора и направления в магнитопровод торцы обмоток с двух сторон прикрываются кольцевыми магнитными шунтами 4.

При полном коротком замыкании управляющей обмотки 8 магнитный поток УРАТ полностью вымещается за пределы верхней секции последовательной обмотки 5. Реактивное сопротивление этой обмотки снижается практически до нуля и напряжение, приложенное к зажиму 14, будет приложено фактически к началу нижней секции последовательной обмотки 6 (обмотка 5 шунтируется). В этом случае УРАТ будет работать в режиме номинального потребления реактивной мощности и трансформирования напряжения с коэффициентом

где - число витков нижней секции последовательной обмотки 6, W₂ - число витков параллельной обмотки 7. Напряжение на ЛЭП понизится до значения U_л=K_т·U_ш, где U_ш - напряжение шин отправной подстанции, K_т - коэффициент трансформации К_т<1,0.

Коэффициент трансформации УРАТ может может изменяться от значения до величины К_т=W₂/W₁=1,0 путем регулирования тока обмотки 8 соответствующим управляющим воздействием на тиристорный блок 11. Одновременно с изменением коэффициента К_т изменяется и реактивный ток УРАТ. Например, при уменьшении тока обмотки 8 происходит постепенное перемещение магнитного потока из воздушного зазора в стержень магнитопровода. Это ведет к восстановлению связи обмотки 5 с основным магнитным потоком и, как следствие, увеличению ее реактивного сопротивления. При нулевом токе обмотки 8 результирующее (суммарное) сопротивление обмоток 5 и 6 практически равно нулю Х₅+Х₆≅0 (если число витков обмотки равно числу витков обмотки т.е. W₁′=W₁″).

Рассмотрим вопрос о необходимости разделения последовательной обмотки УРАТ на верхнюю 5 и нижнюю 6 секции со встречным их включением. Регулирование коэффициента трансформации К_т и реактивной мощности, Q, потребляемой УРАТ, производится одним и тем же действием - вымещением основного магнитного потока из стержня магнитопровода в воздушный зазор. При этом коэффициент К_т изменяется в пределах a реактивная мощность Q_p=Q_p.x.x÷Q_p.max., где Q_p.x.x, Q_p.max - значение реактивной мощности УРАТ при холостом ходе и в максимальном режиме. Промежуточному значению К_т будет соответствовать определенное значение мощности Q_p.

Напряжение короткого замыкания U_к между обмотками автотрансформатора зависит от их пространственного положения по отношению друг к другу. Чем ближе они расположены, тем меньше величина U_к и соответственно меньше реактивное сопротивление автотрансформатора. Последовательная обмотка УРАТ должна располагаться как можно ближе к его параллельной обмотке 7. Однако по технологии работы УРАТ последовательная обмотка охватывается управляющей обмоткой 8 и располагается между нею и стержнем, т.е. пространственно удалена от параллельной обмотки 7. Это противоречие разрешается, если последовательную обмотку разделить на две (например, равные) секции, включенные встречно. Причем верхнюю секцию последовательной обмотки 5 располагают между обмоткой 8 и стержнем магнитопровода, а нижнюю секцию 6 этой обмотки размещают вблизи обмотки 7 (раздвинуты между собой на изоляционное расстояние). Такое решение дает возможность иметь U_к между последовательной и параллельной обмотками УРАТ в пределах (5÷10)%. Однако напряжение U_к между обмотками 6, 7 и обмоткой управления 8 должно составлять 100% и это достигается благодаря увеличению межобмоточного расстояния.

Непрерывное регулирование тока управляющей обмотки 8 осуществляется за счет изменения угла отпирания тиристоров блока 11. При неполном отпирании тиристоров появляются высшие гармонические в кривой тока. Однако эти высшие гармонические возбуждают высшие гармонические в магнитном потоке, а те в свою очередь индуцируют противо-ЭДС в короткозамкнутом контуре обмотки 8. В результате высшие гармонические в кривой тока обмоток 6 и 7 УРАТ эффективно подавляются [5]. Компенсационная обмотка 9 с фильтрами 12 и 13 (фиг.2) предназначена для более полного подавления высших гармонических.

Главное предназначение УРАТ - оптимальное управление режимами протяженных электропередач по потерям активной мощности, реализуемое путем соответствующего согласования общего уровня напряжения на ЛЭП и потребления реактивной мощности в конечных узлах линии с текущим значением передаваемой мощности. Оптимальным будет такой процесс регулирования, при котором при увеличении передаваемой мощности увеличивается одновременно напряжение на ЛЭП и потребление реактивной мощности в ее конечных узлах [4]. Это изменение напряжения должно осуществляться по закону

где U_m - напряжение в начале (конце) линии,

Р - активная мощность в начале (конце) линии,

g_m - параметр, определяемый обобщенными постоянными линии.

Одновременно с изменением напряжения по закону (1) должно производиться регулирование реактивной мощности, потребляемой УРАТ, по выражению

Q_m=U_m ²-b_m, (2)

где Q_m - реактивная мощность, потребляемая УРАТ, в начале (конце) линии,

U_m - оптимальное значение напряжения в начале (конце) линии, определяемое по выражению (1), b_m - параметр, зависящий от обобщенных постоянных линии.

Параметры g_m и b_m определяются по формулам

где , , и - обобщенные постоянные линии [4].

Напряжение на линии U_m, определяемое по (1), пропорционально корню квадратному из активной мощности соответствующего конца линии. При этом реактивная мощность, которая должна потребляться УРАТ, определяется по (2)

и пропорциональная мощность начала (конца) линии. Регулирование тока тиристорного блока 11 вызывает одновременное изменение напряжения на линии и потребление из линии реактивной мощности. Эти изменения должны быть максимально приближены к значениям U_m и Q_m, определенным соответственно по (1) и (3).

На фиг.3 приведена схема включения УРАТ по концам линии электропередачи. Зажимы 10 и 14 УРАТ могут подключаться посредством коммуникационных аппаратов 15 и 16 к шинам 19 передающей (20 приемной) подстанции. Для рассмотренного выше способа оптимизации режима ЛЭП в исходном положении при малой загрузке линии включенными должны быть коммутаторы 16, 18 (отключенными 15 и 17) на УРАТ обеих подстанций. Производится регулирование УРАТ на потребление избыточной реактивной мощности линии. При этом изменяется ток управляющей обмотки 8 таким образом, чтобы напряжение в начале и конце линии поддерживалось на заданном уровне. УРАТ работает в реактивном режиме, коэффициент трансформации его не изменяется К_т=1,0=const.

Если мощность, передаваемая по линии, будет равна натуральной, то не требуется потребления из линии реактивной мощности, поэтому ток обмотки 8 снижается до нуля (УРАТ переходит в режим холостого хода). Для увеличения пропускной способности электропередачи в режимах передачи по ней мощности, превышающей натуральную, требуется повышение на линии общего уровня напряжения. Изоляция на линии должна быть рассчитана на соответствующий диапазон повышения напряжения. При этом не требуется повышения уровня изоляции оборудования передающей и приемной подстанции с шинами 19 и 20.

Для перевода линии в режим повышенного напряжения необходимо дополнительно замкнуть коммутаторы 17 и после этого разомкнуть коммутаторы 18 на обоих УРАТ (на передающей и приемной подстанциях). Обмотки УРАТ 5 и 6 включены встречно, поэтому при нулевом токе в обмотке 8 потенциалы зажимов 10 и 14 примерно равны и указанная коммутация происходит без разрыва нагрузочного тока линии.

Увеличение мощности линии сверх натуральной требует повышения напряжения на этой линии по закону (1) с одновременным увеличением потребляемой УРАТ реактивной мощности по закону регулирования (3). Для этого производится соответствующее регулирование тока управляющей обмотки 8 путем воздействия на тиристоры блока 11. При номинальном токе обмотки 8 напряжение на линии достигает максимального значения (например, превышающее напряжение шин 19, 20 на (25÷40)%, а потребляемая УРАТ реактивная мощность - расчетной предельной величины.

Итак, в рассмотренном режиме УРАТ производят повышение напряжения на линии и одновременное увеличение потребляемой из нее мощности.

Если требуется ведение режима ЛЭП при пониженном напряжении (по отношению к напряжению шин 19 и 20 подстанций) в условиях малой загрузки линии, то предусматривается следующее исходное состояние коммутационных аппаратов: включены 15 и 18, отключены 16, 17 на обоих УРАТ. Причем обмотка 8 имеет номинальный ток и УРАТ потребляют максимальную реактивную мощность при сниженном напряжении на линии. Исходное значение коэффициента трансформации (выше этот режим был рассмотрен подробно). По мере увеличения передаваемой активной мощности увеличивается напряжение на линии и снижается реактивная мощность УРАТ.

Применение регулирующих устройств поперечной компенсации позволяет изменить характеристики линии, ее натуральную мощность и вести режим так, чтобы натуральная мощность всегда соответствовала передаваемой мощности. При этом достигается наиболее благоприятное распределение напряжения вдоль линии, увеличивается ее пропускная способность. Проводимость всех реакторов, установленных на линии электропередачи, можно отнести к единице длины линии:

где Σ_вк - суммарная проводимость всех реакторов, l - длина линии.

При этом волновое сопротивление компенсированной линии будет равно

где х₀, b₀ - погонные реактивное сопротивление и реактивная проводимость некомпенсированной линии, b_к - проводимость, определяемая по (4), K=b_к/b₀ - отношение проводимостей, Z_c - волновое сопротивление некомпенсированной линии.

Натуральная мощность компенсированной линии.

где U_Л - напряжение на линии, Z_с.к. - волновое сопротивление линии по (5).

Текущее значение мощности линии Р_т будет равно натуральной мощности этой линии Р_с.к. (по выражению (6), если соответствующим образом с помощью УРАТ изменять напряжение U_Л

при условии соблюдения равенства Р_с.к.=Р_т.

Таким образом, если изменять общий уровень напряжения на линии по закону (7), то будет обеспечиваться равномерное распределение напряжения вдоль линии с умеренными потерями активной мощности. Параметр Z_с.к. зависит от реактивной мощности, потребляемой УРАТ в конечных углах линии.

По мере увеличения напряжения на линии, связанного с уменьшением тока в управляющей обмотке 8, волновое сопротивление Z_с.к. уменьшается и в пределе достигает значения Z_с (волновое сопротивление некомпенсированной линии). В этом режиме (при нулевом токе обмотки 8) УРАТ потребляет из сети незначительную мощность холостого хода, а напряжение на линии равно напряжению шин (коэффициент трансформации УРАТ K_т=1,0).

При необходимости дальнейшего повышения напряжения на линии используется технология управления (рассмотренная выше), по которой изменение напряжения на линии и потребляемой реактивной мощности УРАТ производятся по законам (1) и (3) соответственно.

Коммутационные аппараты, используемые для переключении при изменении режима работы УРАТ, не разрывают нагрузочные токи и поэтому могут применяться аппараты упрощенной конструкции без дугогасительных камер.

Следует заметить, что если регулирование напряжения на ЛЭП и потребления реактивной мощности УРАТ производится только по уравнениям (1) и (3) или только по закону (7), то описанные выше переключения концов последовательной обмотки 10 и 14 не требуются и необходимость в коммутационных аппаратах 15-18 отпадает.

При передаче энергии по линии один из УРАТ работает как повышающий автотрансформатор, второй - как понижающий, и наоборот, Возможность изменения коэффициента трансформации УРАТ, устанавливаемых по концам линии, позволяет осуществлять любой перепад напряжения на линии, который необходим для оптимального регулирования передаваемой мощности.

В заключении еще раз отметим, что разделение последовательной обмотки УРАТ на две встречно включаемые секции с соответствующим их пространственном расположении относительно параллельной и управляющей обмоток позволяет значительно улучшить электрические параметры машины. Изменение коэффициента трансформации УРАТ производится путем изменения потокосцепления основного потока с одной из секций последовательной обмотки. Такой способ регулирования, реализуемый на предлагаемом устройстве (электрической машине), может быть широко использован в электроэнергетике.

Применение УРАТ для управления режимами протяженных электропередач позволяет:

- осуществить оптимальный режим протяженной линии сверхвысокого напряжения по потерям активной мощности;

- создать условия для равномерного распределения напряжения вдоль линии;

- осуществить режим передачи натуральной мощности при меняющейся загрузке линии;

- создать условия для реализации требуемого перепада напряжения на линии путем согласования коэффициентов трансформации УРАТ;

- осуществлять более широкое внедрение в практику высоковольтных линий повышенной натуральной мощности;

- сделать электропередачи более экономичными и надежными.

Использование: для компенсации избыточной реактивной мощности линии электропередачи и регулирования на ней общего уровня напряжения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Устройство содержит магнитопровод с основным стержнем, на котором расположены: основная обмотка, состоящая из последовательной и параллельной частей со средним выводом, компенсационная обмотка и управляющая обмотка, замкнутая на тиристорный управляемый блок. Последовательная обмотка состоит из двух секций, включенных встречно, причем одна из секций охватывается управляющей обмоткой. К компенсационной обмотке подключен фильтр высших гармонических. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Управляемый реактор-автотрансформатор, содержащий магнитопровод с ярмами и основным стержнем, расположенные на основном стержне: основную обмотку, состоящую из последовательной и параллельной частей со средним выводом между ними, компенсационную обмотку, соединенную в треугольник, управляющую обмотку, замкнутую на тиристорные управляемые блоки, отличающийся тем, что последовательная часть основной обмотки выполнена в виде двух секций, включенных встречно, одну из которых охватывает по всей высоте управляющая обмотка, а компенсационная обмотка расположена в пространстве между параллельной частью основной обмотки и управляющей обмоткой.2. Управляемый реактор-автотрансформатор по п.1, отличающийся тем, что к компенсационной обмотке подключены фильтры подавления высших гармонических составляющих.3. Управляемый реактор-автотрансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что крайние выводы последовательной части основной обмотки подключены через коммутационные аппараты к шинам подстанции и линии электропередачи.