автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Исследование характеристик и оптимизация конструкций электрических аппаратов для компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередач сверхвысокого напряжения

¿у ' ¿Г / ¿¿'Л .-) V

(/ / * V - г./ / < & / ,4 ~ Г

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Сергеев Антон Вадимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.06 - Электрические аппараты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

член-корр. РАН, доктор технических наук,

профессор Г.Н. Александров

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1999

¥

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Д-У........................................................................................................дифференциальное уравнение

ИРМ................................................................................................источники реактивной мощности

к.з..............................................................................................................................короткое замыкание

КО.................................................................................................................компенсационная обмотка

ЛЭП...................................................................................................................линия электропередачи

МДС.....................................................................................................................магнитодвижущая сила

МС...............................................................................................................................магнитная система

ОУ.............................................................................................................................оемотка управления

САУ.............................................................................................система ал гебраических уравнений

СВН..............................................................................................................сверхвысокое напряжение

СДУ.....................................................................................система дифференциальных уравнений

СО.....................................................................................................................................сетевая обмотка

СТК...................................................................................статические тиристорные компенсаторы

УШР............................................................................................управляемый шунтирующий реактор

УШРТ......................................управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа

XX..............................................................................................................................................холостой ход

ШР.........................................................................................................................шунтирующий реактор

ЭА.....................................................................................................................электрические аппараты

СДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ........................10

1.1. Шунтирующие реакторы с фиксированными параметрами.................. 10

1.2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы.................. 13

1.3. Управляемые тиристорами шунтирующие реакторы............................16

1.4. Выводы........................................................................................................22

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА, ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИЗБЫТОЧНОЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЛЭП СВН..................................................................................23

2.1.Управляемый тиристорами шунтирующий реактор трансформаторного типа.....................................................................................................................24

2.2. Исследование динамических характеристик управляемого тиристорами шунтирующего реактора трансформаторного типа.......................................38

2.3. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа с параллельными контурами управления..........................................................55

2.3.1. Формирование уравнений математической модели УШРТ с параллельными контурами управления......................................................................................................................58

2.3.2. Расчет динамических характеристик УШРТ с параллельными контурами управления.........................................................................................................................................60

2.3.3. Расчет динамических характеристик УШРТ с параллельными контурами управления с помощью программ расчета плоско-параллельного магнитного поля.............80

2.3.5. Расчет динамических характеристик трехфазного УШРТ с параллельными контурами управления.........................................................................................................................................87

2.4. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа с секционированной обмоткой управления.....................................................108

2.5. Выводы......................................................................................................131

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ТОКЕ СЕТЕВОЙ ОБМОТКИ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.........132

3.1. Выводы..............................................................................................................................................148

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.................................................................149

3.1. Выводы...................................................................................................... 161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................162

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На протяжении последних десятилетий все острее ощущается проблема создания простых, надежных и экономичных электрических аппаратов для потребления избыточной реактивной мощности линий электропередач (ЛЭП) сверхвысокого напряжения (СВН) в режиме малых нагрузок. Экономически эта проблема обусловлена тем что, постоянно возрастает количество транспортируемой по линиям переменного тока электроэнергии, усиливаются требования к ее качеству, т.е. возникает необходимость в увеличении эффективности ЛЭП - повышении их пропускной способности и увеличении расстояний на которые может передаваться электроэнергия (дальности ЛЭП). Причем качество передаваемой энергии должно соответствовать установленным нормам [9]. Технически повышение эффективности ЛЭП связано с освоением все более высоких напряжений (сверхвысоких напряжений) при этом применявшиеся ранее способы решения указанной проблемы (использование генераторов электростанций в режиме потребления реактивной мощности, установка синхронных компенсаторов и шунтирующих реакторов с фиксированными параметрами) оказываются малоэффективными или неприемлемыми.

Известно, что для линий переменного тока наилучшим является натуральный

/

режим работы (т.е. режим при котором кратность тока линии к=—, где 1н -

н

натуральный ток линии, равна единице), т.к. в этом режиме одинаковы значения энергий электрического и магнитного полей, нет отраженных волн и реактивная мощность линии равна нулю. Если к > 1 линия не может передавать электроэнергию без дополнительных источников реактивной мощности (синхронных компенсаторов, батарей конденсаторов), если к < 1 - без потребителей избыточной реактивной мощности. Во время ночных и сезонных провалов нагрузки нарушается баланс энергии электромагнитного поля ЛЭП и возникают потоки реактивной мощности, вызывающие значительные дополнительные потери. При длине линии свыше 1000 км и при значительном отклонении ее режима работы от натурального мощность небаланса электромагнитного поля ЛЭП оказывается сравнимой с ее натуральной

з*ифн

мощностью. Натуральная мощность: Рн = 3 * I/фн * 1Н =----, мощность небаланса:

(2 = Рн * (1 - к2) * X, где ифП - номинальное фазное напряжение линии; г5 - волновое

сопротивление линии, а X - волновая длина линии [3,17].

Компенсация реактивной мощности ЛЭП СВН заключается в том чтобы при изменяющейся нагрузке в каждой точке сети обеспечить баланс реактивной мощности

при котором сохраняются напряжения в узлах близкие к номинальным и имеют место наименьшие потери в сети.

Электрическими аппаратами (ЭА), предназначенными для этой цели (при к < 1), являются шунтирующие реакторы - статические электромагнитные устройства, работа которых основывается на явлении электромагнитной индукции. Шунтирующие реакторы (ШР) включаются между фазами ЛЭП и землей.

По способу регулирования реактивной мощности, потребляемой реактором, различают:

1. Шунтирующие реакторы с фиксированными параметрами (нерегулируемые) -при номинальной нагрузке линии они отключаются, а при уменьшении нагрузки подключаются с помощью высоковольтных выключателей.

2. Регулируемые (управляемые) шунтирующие реакторы (УШР), которые должны обеспечивать возможность быстрого и плавного изменения потребляемой ими мощности без отключения от линии.

В настоящее время ЛЭП почти повсеместно оборудованы нерегулируемыми ШР. Поскольку передаваемая по линии мощность может изменяться в широких пределах в соответствии с графиком нагрузки, то следует обеспечивать регулирование мощности ШР, т.е. их ежедневную коммутацию,, что вызывает сложности в эксплуатации (ограниченный ресурс выключателей, перенапряжения при коммутации реакторов).

Применение на ЛЭП УШР позволит:

1. Отказаться от применения на длинных линиях ШР с фиксированными параметрами, необходимость ежедневной коммутации которых приводит к возникновению перенапряжений и ускоренной выработке коммутационного ресурса применяемых для этой цели выключателей.

2. УШР смогут обеспечить устойчивую и экономичную работу разрабатываемых в настоящее время ЛЭП повышенной натуральной мощности, позволяющих значительно увеличить дальность передачи электроэнергии по сравнению с линиями традиционного конструктивного исполнения без применения дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ) (см. [1, 3]).

УШР должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Обеспечивать: а) плавное регулирование реактивной мощности в нормальных режимах работы линий, б) быстрое увеличение реактивной мощности вплоть до номинальной в процессе коммутации линии, в) быстрое уменьшение реактивной мощности при внезапных скачкообразных повышениях нагрузки линии, г) практическую синусоидальность рабочего тока во всем диапазоне регулирования.

2. Быть надежными и экономичными.

Известные в настоящее время варианты конструктивного исполнения УШР для компенсации реактивной мощности ЛЭП СВН можно разделить на два основных типа:

УШР, управляемые посредством подмагничивания магнитопровода постоянным током (1, 17], и тиристорно-управляемые УШР в составе статических тиристорных компенсаторов (СТК) [13, 14]. Хотя аппараты обоих типов допускают автоматическое регулирование потребляемой ими реактивной мощности в широких пределах, каждому из них свойственны недостатки.

Так основными недостатками УШР первого типа являются значительная материалоемкость конструкции магнитной системы (МС) и выявившееся в процессе эксплуатации их опытных образцов, недостаточное быстродействие1. Поэтому для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЗП СВН они не нашли широкого применения.

УШР второго типа обладают хорошим быстродействием но для их подключения к линии необходимо использовать понижающий трансформатор напряжения, а для обеспечения синусоидальности искажаемой тиристорами кривой рабочего тока требуются фильтры, в качестве которых используются цепи батарей конденсаторов и специальных фильтровых реакторов. Фильтры подключаются на стороне высокого напряжения. Следует отметить, что использование в СТК конденсаторных батарей, выполняющих функцию ИРМ, предполагает работу ЛЭП в режиме, когда передаваемая по ней мощность превышает натуральную (Рн). Такой режим работы ЛЭП, как показано в [3], является неэкономичным (искусственным) во-первых, из-за значительной стоимости ИРМ, во-вторых, из-за дополнительных эксплуатационных издержек, связанных с их обслуживанием.

С целью устранения указанных недостатков существующих конструкций ЭА для потребления избыточной реактивной мощности ЛЭП ВН в настоящее время ведется работа по созданию новой конструкции аппаратов этого вида - управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа (УШРТ) [5], различные конструктивные исполнения которых являются основным объектом исследования настоящей работы.

Цель работы. Разработка теории и исследование технических характеристик ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН. Определение и оптимизация технико-экономических показателей возможных вариантов их конструктивного исполнения.

Методы исследования. 1. Расчетно-теоретические - на основе математического моделирования (составление и решение численными методами систем алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы, происходящие в рассматриваемых ЭА).

2. Экспериментальные исследования, выполненные при испытаниях физической модели УШРТ, рассчитанной на ЮкВ, мощностью 130квар.

1 Под быстродействием понимается время, необходимое реактору для переключения из одного режима потребления реактивной мощности в другой.

3. Графическая интерпретация и анализ результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Исследованы динамические характеристики УШРТ. Разработана и реализована программно методика расчета переходных процессов УШРТ, которая позволяет оценить его быстродействие и содержание высших гармоник в кривой тока подключаемой к ЛЭП сетевой обмотки (СО).

Проанализировано магнитное поле УШРТ при различных углах задержки включения тиристоров.

Теоретически (на основе расчетов) и практически (по результатам испытаний физической модели) подтверждена возможность создания нового типа УШР, имеющего лучшие технические характеристики (по сравнению с другими типами УШР) - повышенное быстродействие, низкое содержание высших гармоник в токе сетевой обмотки, возможность непосредственного подключения к ЛЭП СВН (без понижающего трансформатора напряжения).

Выполнен анализ технических характеристик возможных вариантов конструктивного исполнения УШРТ.

Практическая ценность. На основе теоретических положений и предложенных методик могут быть рассчитаны УШРТ различных классов напряжения и мощности, произведена оценка их технических параметров, проанализированы различные режимы работы с оценкой быстродействия и гармонического состава тока СО. Проверить точность теоретических положений и получить наглядное представление об электромагнитных процессах, происходящих в УШРТ, позволяют результаты расчета магнитного поля УШРТ. Разработанные математические алгоритмы и программы могут быть модифицированы и использованы при расчете других конструкций ЭА, применяемых для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования динамических характеристик УШРТ.

2. Описание электромагнитных процессов, происходящих в УШРТ, полученное в результате расчета магнитного поля УШРТ.

3. Рекомендации по совершенствованию конструктивного исполнения УШРТ.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 3

работы из них две статьи в журналах «Известия РАН. Энергетика.» и «Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ - Энергетика», а также отчет о научно-исследовательской работе.

1. Александров Г.Н., Афанасьев А.И., Селезнев Ю.Г., Альбертинский Б.И., Лунин В.П., Ванин В.К., Кашина В.А., Сергеев A.B. «Исследование и разработка быстродействующего управляемого шунтирующего реактора 500кВ, 180Мвар трансформаторного типа с пониженным содержанием высших гармонических составляющих тока» (отчет СПбГТУ о научно-исследовательской работе) 1996г.

2. Карпенко Л.Н., Сергеев A.B. Математическая модель для исследования электромагнитных процессов в управляемом шунтирующем реакторе трансформаторного типа. - Известия РАН. Энергетика, (в печати).

3. Сергеев A.B. Применение фильтров для ограничения высших гармонических в токе сетевой оемотки управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа. -Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ -Энергетика, 1998, NF6.

Результаты работы были доложены на заседании кафедры «Электрические и электронные аппараты» Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы - 21 наименование. Объем работы: 71 страница текста, 93 страницы рисунков.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор применяемых в настоящее время ЭА для компенсации избыточной реактивной мощности ЛЭП СВН. Наряду с ШР рассмотрены конструктивные схемы и принципы работы двух типов управляемых реакторов: УШР с подмагничиванием магнитопровода постоянным током и используемые в составе СТК реакторы, управляемые тиристорами. Отмечены положительные и отрицательные стороны, присущие УШР обоих типов. Обоснован выбор исходной конструктивной схемы УШРТ.

Во второй главе рассмотрена методика расчета конструктивных параметров УШРТ, алгоритм их оптимизации, предложены ма