автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение эффективности применения УШР на ЛЭП 500 Кв и ПС 110 Кв электроэнергетической системы

На правах рукописи

Кондратенко Денис Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УШР НА ЛЭП 500 КВ И ПС 110 КВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

Москва - 2015

005566394

005566394

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы» Федерального государственного бюджетного образовательного—учреждени^ высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

доктор технических наук, Долгополов Андрей Геннадьевич

Качесов Владимир Егорович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «НГТУ», профессор кафедры ««Техника и электрофизика высоких напряжений» Ивакин Виктор Николаевич, кандидат технических наук, ОАО «Электрозавод», заместитель директора по науке и инновационным программам

Открытое акционерное общество «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского»

Защита состоится «22» мая 2015 г. в 15е2 в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « Ш » НА ртА_2015 г.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук

Дичина О.В.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность-исследования. Несмотря на имеющийся

пятнадцатилетний опыт применения управляемых шунтирующих реакторов (УШР) 35-500 кВ в электрических сетях России, остается ряд задач, который касается надежной и эффективной работы электрической сети с учетом установленных в ней УШР.

Опыт взаимодействия с проектными организациями, а также практика эксплуатации управляемых реакторов показывает, что применение УШР на линии 500 кВ вызывает у специалистов ряд вопросов относительно учета влияния подобных устройств на протекающие в сети процессы в неполнофазных режимах работы линии, например в цикле однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ). Кроме того, применение универсальных алгоритмов управления, которые традиционно закладываются в автоматику реактора, может приводить к неуспешному трехфазному автоматическому повторному включению (ТАПВ) линии 500 кВ.

Таким образом, возникает необходимость в разработке рекомендаций по учету УШР 500 кВ в циклах ОАПВ, а также в разработке алгоритмов и мероприятий, касающихся надежного применения УШР в цикле ТАПВ линии 500 кВ.

В настоящее время специалисты сетевых компаний, которые традиционного рассматривают УШР в проектах как средство стабилизации напряжения в точке подключения, путем применения УШР пытаются решать вопросы, связанные с устойчивостью двигательной нагрузки. В связи с этим, возможность увеличения быстродействия реактора является важным критерием увеличения эффективности применения УШР 110 кВ на ПС 110 кВ.

Целью работы является разработка способов и алгоритмов более эффективного использования УШР в электрической сети на основе математического моделирования управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для исследования коммутационных и динамических режимов работы УШР в составе электроэнергетической системы.

Задачи исследования, решенные для достижения поставленной цели:

1. Разработать имитационные модели серийных УШР 500 кВ и 110 кВ в графической среде БипиПпк (Ма^аЬ).

2. Исследовать влияние УШР на процессы, протекающие в цикле ОАПВ линии 500 кВ и разработать аналитические выражения, определяющие эффективность использования линейных УШР с точки зрения ограничения тока подпитки дуги в месте КЗ и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после гашения дуги.

3. Исследовать процессы в УШР 500 кВ и разработать на их основе мероприятия, позволяющие-обеспечить надежность оборудования реактора, и-алгоритмы, повышающие эффективность использования реактора в цикле ТАПВ линии.

4. Исследовать процессы, протекающие в УШР 110 кВ и определить факторы, ограничивающие возможность увеличения быстродействия. Разработать решение по увеличению быстродействия управляемого реактора 110 кВ.

5. Рассмотреть возможность повышения эффективности использования УШР на ПС 110 кВ путем отказа от предварительного подмагничивания реактора перед подачей на него напряжения.

Научная новизна.

1. Впервые разработаны имитационные модели управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов в среде Simulink, учитывающие конструктивные и схемотехнические особенности УШР, которые применяются в энергосистеме в настоящее время.

2. Получены уточненные выражения, учитывающие передаваемую по линии мощность (угол передачи мощности) и определяющие эффективность использования УШР в цикле ОАПВ с точки зрения ограничения тока подпитки дуги места КЗ и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после гашения дуги.

3. Выявлено количественное влияние степени намагничивания стержней магнитной системы УШР на значения амплитуды и энергии коммутационных воздействий на выводах обмотки управления УШР 500 кВ в циклах ТАПВ.

4. Выявлены закономерности, влияющие на время необходимого подмагничивания УШР в течение бестоковой паузы ТАПВ линии с реактором.

5. На основании анализа динамических процессов в УШР 110 кВ при его работе с электрической сетью определены факторы, ограничивающие возможность увеличения быстродействия реактора и оценена возможность улучшения характеристик быстродействия реактора без изменения его конструкции.

6. Дана оценка возникающих на выводах обмотки управления напряжений при включении УШР 110 кВ, определена и доказана возможность включения УШР 110 кВ в сеть без предварительного подмагничивания.

Практическая ценность работы.

1. Созданные для анализа коммутационных и динамических процессов в управляемых реакторах при их работе на BJI 500 кВ и ПС 110 кВ

имитационные модели могут быть использованы в дальнейшем для решения -других-задач;---

2. Представленные аналитические выражения, которые учитывают различный состав линейного оборудования, а также зависимость от передаваемой по линии мощности, позволяют оценить эффективность мероприятий в цикле ОАПВ линии с УШР, связанных с ограничением тока подпитки места короткого замыкания и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после гашения дуги.

3. Сформулированные требования к нелинейным ограничителям перенапряжения гарантируют надежную защиту полупроводниковых преобразователей при включении управляемого реактора 500 кВ в сеть без предварительного подмагничивания. Изготовленные в соответствии с требованиями ОПН применены на введенных в эксплуатацию УШР 500 кВ ПС Амурская и ПС Лозовая.

4. Разработанный и примененный на действующих объектах алгоритм управления УШР 500 кВ позволяет снизить время, за которое обеспечивается готовность реактора к повторному включению в сеть в режиме ТАГТВ.

5. Разработанный и запатентованный способ позволяет значительно увеличить быстродействие УШР 110 кВ типовой конструкции.

6. Доказано отсутствие возможности появления опасных с точки зрения оборудования УШР 110 кВ перенапряжений на выводах обмотки управления при включении реактора в сеть без предварительного подмагничивания, что снимает ограничения на включение реактора в сеть для ПС с односторонним питанием.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Имитационные модели управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов 500 и 110 кВ.

2. Уточненные аналитические выражения для оценки влияния УШР 500 кВ на величину тока подпитки дуги однофазного короткого замыкания, и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе в цикле однофазного автоматического повторного включения.

3. Результаты исследования процессов в УШР с учетом различной степени намагничивания магнитопровода реактора и требования к нелинейным ограничителям перенапряжения, которые обеспечивают защиту полупроводниковых преобразователей при включении управляемого реактора 500 кВ в сеть без предварительного подмагничивания.

4. Алгоритм управления УШР 500 кВ в цикле трехфазного автоматического повторного включения.

5. Результаты исследований динамических режимов УШР, мероприятия по повышению быстродействия^—а также—способ,—позволяющий—значительно повысить быстродействие УШР 110 кВ типовой конструкции.

6. Результаты расчетного исследования, доказывающие отсутствие возможности появления опасных, с точки зрения преобразовательного блока УШР, перенапряжений на выводах ОУ при включении реактора в сеть без предварительного подмагничивания.

Личный вклад соискателя.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит:

- в публикациях [1],[2],[6],[7],[8],[11],[12],[13],[14] - работа над основным содержанием статей, описание принципа действия УШР.

- в публикациях [15],[16] - моделирование УШР с среде 8тш1тк и №аз1 в коммутационных режимах его работы и анализ величины и энергетики появляющихся на выводах обмотки управления напряжений;

- в публикациях [3],[16] - оценка эффективного использования УШР в цикле ОАГТВ с точки зрения ограничения тока подпитки дуги места КЗ и восстанавливающегося напряжения на отключенной фазе после гашения дуги.

- в публикациях [5],[9],[10] - теоретические и практические исследования процесса предварительного подмагничивания УШР, а так же разработка на их основе алгоритма управления УШР 500 кВ, позволяющего снизить время обеспечения готовности реактора к повторному включению в сеть в режиме ТАИВ линии;

- в публикациях [4],[17] - исследования процессов, препятствующих возможности улучшения динамических характеристик УШР 110 кВ, а также разработка способа увеличения быстродействия реактора.

Методы исследования. Исследования базируются на фундаментальных положениях теории электромагнитного поля, электрических и магнитных цепей, электрических машин, дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается корректным использованием основных положений теории электромагнитного поля, электрических и магнитных цепей. Результаты, полученные на имитационной модели расчетным путем, сопоставлены и совпадают с экспериментальными данными, данными, полученными в ходе эксплуатации оборудования и данными завода-изготовителя, а также результатами сетевых испытаний УШР с участием автора.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Международная Ассоциация делового сотрудничества по трансформаторам,

комплектующим изделиям и материалам "ТРАВЭК". Силовые трансформаторы и системы диагностики (Москва, 2010 г).

- Международная Ассоциация делового сотрудничества по трансформаторам, высоковольтной аппаратуре, электротехнической керамике и другим комплектующим изделиям и материалам "ТРАВЭК". Силовые трансформаторы (Москва, 2011 г).

- Международный энергетический форум ЦРСпс! (Москва, 2012 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 работ в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, монография и патент РФ, опубликованный в Бюл. №3 от 27.01.2013 г.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы из 69 наименований. Основной текст изложен на 162 страницах, включая 94 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, научная новизна, практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей» приводится анализ отечественного и зарубежного опыта применения УШР. Отмечено, что за предшествующий к настоящему времени период (к 2014 г.) в странах СНГ и ближнего зарубежья введено в эксплуатацию более восьмидесяти управляемых реакторов напряжением от 6 до 500 кВ. По принципу действия трехфазные плавнорегулируемые реакторы для компенсации реактивной мощности можно разделить на три класса — управляемые подмагничиванием магнитопровода, трансформаторного типа (УШРТ) и реакторы с переключением отпаек (аналогично РПН трансформаторов).

В работе показано, что наиболее широко применяемым типом УШР является управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор (УШРП). Принцип работы такого УШР основывается на насыщении стали магнитопровода постоянным потоком, создаваемым выпрямленным током в специальной обмотке управления. Фактически для мощного высоковольтного трансформаторного устройства используется принцип магнитного усилителя, когда по мере насыщения стержней магнитопровода снижается индуктивность расположенной на них сетевой обмотки, и также пропорционально снижается ее индуктивное сопротивление. По мере снижения или обратного повышения

индуктивного сопротивления сетевой обмотки реактора пропорционально возрастает или уменьшается-еетокг а значит и потребляемая мощность УШР в диапазоне от холостого хода (около 1%) до номинальной мощности или допустимой перегрузки (100-120%). На рис.1. показана упрощенная электромагнитная схема фазы управляемого реактора (а), а так же процесс набора реактором мощности, который заключается в увеличении тока сетевой обмотки (сверху) в зависимости от тока подмагничивания (внизу) при наборе мощности до номинального значения (б).

(а) (б)

Рисунок 1. Магнитная система одной фазы УШР и электрическая схема соединения сетевой обмотки (СО) и обмотки управления (ОУ) одной фазы УШР (а), осциллограмма набора УШР мощности (б).

Выводы. На основе анализа эксплуатационных характеристик и результатов сетевых испытаний УШР выявлен ряд технических проблем, которые детально рассмотрены в работе. Решение обозначенных задач позволяет значительно повысить эффективность применения управляемых шунтирующих реакторов на ЛЭП 500 кВ и ПС 110 кВ.

Вторая глава «Разработка имитационной модели управляемого подмаг-ничиванием шунтирующего реактора» посвящена созданию имитационной математической модели управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора, в основе которой положен известный принцип имитационного моделирования.

В качестве примера, на рис.2 представлена разработанная имитационная модель фазы УШР 500кВ, где показаны нелинейные магнитные сопротивления стержней и ярем (1^—ЯД линейные сопротивления каналов рассеяния магнитного потока:

- между компенсационной обмоткой (КО) и стержнем - К^-Я^;

- между секциями обмотки КО и обмоткой управления (ОУ) - Я,^;

- между секциями сетевой обмотки (СО) и ОУ —1^5—К5б.

С целью оценки соответствия разработанной модели оригиналу она была верифицирована по протоколам испытаний завода-изготовителя в режимах: холостого хода реактора; потребления номинальной нагрузки; КЗ вторичной обмотки. В качестве примера в табл.1 представлены результаты сравнения данных заводских протоколов и результатов расчета, полученные на модели в номинальном режиме работы УШР.

Таблица №1 Результаты расчета в номинальном режиме.

Наименование параметра Результаты расчета модели Данные из протокола Отклонение, %

Напряжение СО, кВ 303,0

Ток СО, А 196,8 197,9 0,55

Ток ОУ, А 740 744,4 0,59

Кроме того, проверка соответствия модели введенному в эксплуатацию оборудованию была произведена путем сравнения результатов расчета на модели с осциллограммами, полученными па действующих УШР. Отклонение результатов моделирования от результатов натурных экспериментов не превысило 5%.

Выводы. Впервые разработана имитационная модель управляемого под-магничиванием шунтирующего реактора в среде 8тш1тк, учитывающая конструктивные и схемотехнические особенности УШР, который применяются в энергосистеме в настоящее время. На основании проведенной верификации модели можно утверждать, что разработанная в диссертации модель УШР соответствует оригиналу и пригодна для анализа коммутационных и динамических процессов в реакторе при его работе в энергосистеме.

Третья глава «Исследование влияния УШР на процессы, протекающие в цикле однофазного автоматического повторного включения линии» посвящена-изучению возможности обеспечения успешного ОАПВ линии с УШР 500 кВ по условиям ограничения тока подпитки дуги в месте КЗ и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после гашения дуги.

При анализе применения управляемого реактора 500 кВ на линии должен быть учтен тот факт, что после отключения аварийной фазы ВЛ с двух концов она подвергается влиянию через емкостные и индуктивные связи со стороны оставшихся в работе фаз, а также влиянию установленных на линии ШР. Это влияние приводит к протеканию в месте замыкания на землю тока подпитки дуги , а после погасания дуги - к появлению наведенного (восстанавливающегося) напряжения на отключенной фазе.

Лез = (/эс + ^Шр/щр + Л'ущр/ущр )+ (/ЭМ ) (1)

где N— число реакторов на линии; /эс ~~ электростатическая составляющая дуги, /эм-электромагнитная составляющая дуги; /шР, Ашр - токи подпитки дуги от ШР и УШР соответственно.

Представленные в работе расчеты показывают, что наличие в УШР компенсационной обмотки, соединенной в треугольник, значительно увеличивает ток подпитки дуги КЗ, который, помимо указанных выше факторов, существенным образом зависит от нагрузки УШР в момент КЗ.

Стоит обратить внимание на имеющиеся публикации с участием автора диссертационной работы касающиеся влияния УШР на процессы, протекающие в цикле ОАПВ линии, однако выводы, сделанные в опубликованных работах, касались только режима холостого хода линии и не учитывали возможность передачи по линии мощности.

В работе показано, что с увеличением рассматриваемой длины линии учет угла передачи мощности (3) существенным образом влияет на все составляющие тока подпитки дуги.

Рассматривая влияние угла 5 на ток подпитки от УШР отмечено, что рост потребляемой мощности УШР, а также увеличение сопротивления компенсационного реактора, устанавливаемого в нейтрали реактора, снижает влияние указанного угла.

Учет средств компенсации реактивной мощности показывает, что установка ШР (УШР) по обеим сторонам линии снижает ток электромагнитной составляющей тока подпитки (/эм) практически до нулевого значения вне зависимости от угла передачи мощности.

Для снижения тока подпитки дуги в цикле ОЛГТВ линии с управляемым -шунтирующим-ректором могут быть использованы такие мероприятия^ как отключение фазы УШР, шунтирование или размыкание треугольника КО, загрузка УШР номинальной мощностью (с учетом возможной перегрузки). Все перечисленные выше мероприятия, за исключением отключения фазы реактора эффективны и с учетом установки компенсационного реактора в нейтраль УШР.

Разработанные на основании проведенных в работе исследований уточнённые аналитические выражения для определения составляющей тока подпитки дуги от УШР, а также для оценки кратностей восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазы с учетом описанных выше мероприятий приведены в таблице №2 и таблице №3 соответственно.

Таблица №2 Ток подпитки от УШР в зависимости от принимаемых мер.

Без дополнительных мер / М 1 1 1 СС 'УШР -7 з ХУШР хушр +3/УШР с05\/2)е

Размыкание треугольника КО 'ушр-у^ушр \/2'

Шунтирование треугольника КО / / Е* , .со&АеЯ *УШР У ^УШР ^гУШР "'У2/

Отключение фазы УШР Атпр ~ ®

Таблица №3 Кратности восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после погасания ток подпитки для рассматриваемых случаев с учетом УШР

Размыкание треугольника КО и. Еа дгшр ХУШ? К 1 (^ШР + ЗЯ-УШР).^ + 1йл % КШР Хуш? + 2-Хушр С0 у2' е ' » I " (2-Ь ■1 + Ь Г)

Шунтирование треугольника КО и, Е„ уШР у УШР ь ■/ " " "т * , у-ШР - тгУШРч тгШР г ттУШР . т^7^-* У УШР / Л (X, +ЗХК (Х0 +зхя )-х0 (я/) Ж к[ш' . 0 ^шр ГУШР , кУШР 1/2/ (Л',1ЕР + ЗХ™) ■ X™ (ЛГ0УШР+ЗХ™) ■ хЦ™ к т 0 '

Отключение фазы УШР и„ X ш к 1 (ХГ+ЗХГ)-ХГ С0МАСМ

Еа уШР , , ГШР 4/2' с 1 ' * ' Л у • - • (хГ +зх^)-хГ { " 0 '

Выводы. Проведенные в главе исследования позволили разработать уточненные аналитические выражения, учитывающие передаваемую по линии мощность (угол передачи мощности) и определяющие эффективность использования УТТ1Р в цикле ОАПВ с точки зрения ограничения тока подпитки

дуги места КЗ и восстанавливающегося напряжения 50 Гц на отключенной фазе после гашения дуги.--------

В четвертой главе «Исследования коммутационных режимов работы лиши 500 кВ с УШР. Разработка мероприятий по увеличению эффективности применения УШР» рассматриваются мероприятия и алгоритмы, позволяющие обеспечить надежность оборудования реактора в цикле ТАПВ линии, а также повысить эффективность использования УШР в указанном режиме работы линии.

На основании опыта эксплуатации УШР в работе приведена статистика аварийных отключений реактора. Анализ статистики позволяет сделать вывод о том, что большинство аварийных отключений реактора связано с повреждением преобразовательного блока линейного УШР. Экспертиза тиристоров на заводе изготовителе свидетельствует о том, что его выход из строя связан с превышением допустимого напряжения тиристора.

Исследования, проведенные с использованием разработанной модели УШР, показывают, что опасные перенапряжения на ОУ, которые могут привести к повреждению преобразовательного блока, возникают в тех случаях, когда напряжение на реакторе пропадает, а затем появляется с минимальным интервалом времени. В качестве одного из основных примеров подобных режимов можно привести цикл ТАПВ линии с установленным УШР (см.рис.З).

Известно, что при ТАПВ поврежденная ЛЭП независимо от вида КЗ (двухфазное, трехфазное или др.) отключается тремя фазами с обеих сторон линии и по окончании заданной бестоковой паузы повторно включается с одной стороны, а затем если повреждение самоустранилось, и с другой стороны. В том случае, если в цикле ТАПВ линии 500 кВ участвует управляемый реактор, а повторная подача напряжения на линию происходит на УШР без его предварительного подмагничивания, то на выводах ОУ УШР может возникнуть перенапряжение, способное вывести из строя полупроводниковый

12

преобразователь. Это в свою очередь приведет к аварийному отключению невозможно.

На основании разработанной имитационной модели УШР 500 кВ рассматриваются причина и следствие возможных повышенных значений напряжений на выводах обмотки управления УШР в режимах, когда питание управляемого реактора исчезает, а затем появляется при отсутствии его подмагни чивания.

Появление перенапряжений на выводах ОУ опасно не только с точки зрения негативного влияния на изоляцию обмотки, но и с точки зрения повреждения полупроводникового преобразователя. Расчет уровня воздействий, а также его длительности позволяет разработать требования к энергоемкости защитных устройств.

В работе показано, что основной причиной опасных перенапряжений на выводах обмотки управления является разнонаправленность остаточных индукций в полустержнях фаз УШР после исчезновения напряжения на реакторе.

На рис.4,а представлена расчетная осциллограмма напряжения на выводах ОУ при включении УШР при прохождении напряжения фазы «А» через 0 без предварительного подмагничивания при индукции в полустрежнях фаз УШР ±1.96 Тл (отключение произошло при работе УШР в номинальном режиме).

Исходя из результатов расчета, максимальное значение напряжения на ОУ при включении УШР без предварительного подмагничивания составляет 18 кВ, что существенно больше, нежели допустимое напряжение полупроводникового преобразователя. Энергия, выделяемая в шунтирующих резисторах обмотки управления, составляет 611 кДж.

Чоу.иВ

20

0,3 О 35 0.4 I. сек 0.45 0,3 °.4 I, сек 0,6

(а) (в)

Рисунок 4. Напряжение на выводах обмотки ОУ при включении УШР типа ЗхРОДУ-60000/500 без учета ОПН (а) и с учетом ОПН (б).

Результаты расчета показывают (см.рис.4,б), что при выбранном значении остающегося напряжения на О ПН - 3 кВ,~ которое скоординировало с допустимым напряжением полупроводникового преобразователя, энергия, рассеиваемая ОПН, составляет 400 кДж.

Еще одним способом обеспечить надежное ТАПВ линии 500 кВ с управляемым подмагничиванием реактором является изменение универсального алгоритма управления, применяемого в САУ УШР, который заключается в снижении времени готовности реактора к повторной подаче на него напряжения.

Как уже отмечалось, одним из основных критериев готовности реактора к коммутации является обеспечение необходимого уровня его предварительного подмагничивания, которое исключает появление опасного перенапряжения на выводах обмотки управления и обеспечивает безынерционный набор мощности при подаче на УШР напряжения.

Если говорить о практике использования режима предварительного подмагничивания, то опытным путем было установлено, что гарантированный уровень подмагничивания с точки зрения безынерционного выхода УШР на номинальный режим обеспечивается при протекании через преобразователь выпрямленного тока порядка 10% от номинального. Выбор уровня тока предварительного подмагничивания достигается установкой фиксированного угла открытия преобразовательного блока, который остается неизменным в процессе эксплуатации оборудования.

Однако, как показывают теоретические и практические исследования для случаев, когда перед пропаданием напряжения на реакторе последний работал в режиме близком к холостому ходу, установка фиксированного угла управления, соответствующего 10% номинального тока обмотки управления, обеспечивает набор необходимого для включения уровня предварительного подмагничивания за время около 14 с.

Таким образом, время набора предварительного подмагничивания существенно зависит от потребляемой им реактивной мощности до пропажи на нем напряжения и может быть гораздо больше времени бестоковой паузы ТАПВ, которое лежит в диапазоне 0,5-5 сек.

Результаты моделирования показывают (см.рис.5), что для снижения времени предварительного подмагничивания необходимо предусматривать в САУ алгоритм управления преобразователем по двум углам, один из которых формируется определенный промежуток времени и соответствует большему выходному напряжению преобразователя, нежели его выходное напряжение, соответствующее установившемуся току предварительного подмагничивания 10% номинального, определяемому вторым углом. Второй угол, формируется

14

до момента Всг, Тл_

появления

сетевого

напряжения на

реакторе.

сек 0,6

4000 3000 2000 1000 О

1оу, А

.... ------- 1" -1-

т| .................. -----------------1 [ЦП Тип А Г

............— —-....................— ----—......... 11- I_.11.1 I) 11| г\ I

___________ __________________п_ И 1[. /„И

__— 10% 1оу ном. 1 1 1 1 1 1 ? !4-

0,4

0,5

Ц сек 0,6

О 0,1 0,2 0,3

Рисунок 5. Процесс подмагничивания размагниченного УШР в соответствии с алгоритмом управления по двум углам. Верхнее поле - изменение индукции в полустержнях реактора, нижнее поле - изменение тока в обмотке управления.

Благодаря работе преобразователя по двум углам управления, с учетом контроля нарастающего значения тока в ОУ и длительности приложения первого угла, можно обеспечить требуемое для успешного применения УШР в циклах ТАПВ время обеспечения готовности реактора к повторной подаче напряжения.

Выводы. Проведенный в четвертой главе анализ процессов, протекающих в УШР в цикле ТАПВ линии 500 кВ, позволил выявить количественное влияние степени намагничивания стержней магнитной системы УШР на значения амплитуды и энергии коммутационных воздействий на выводах обмотки управления, а также определить факторы, влияющие на время необходимого подмагничивания УШР после исчезновения на нем напряжения. Результаты исследований стали основой разработанных в диссертации требований к нелинейным ограничениям перенапряжения, которые обеспечивают защиту оборудования, входящего в состав реактора в цикле ТАПВ линии, а также позволили разработать алгоритм управления УШР 500 кВ для снижения времени, за которое обеспечивается готовность реактора к повторному включению в указанном режиме.

В пятой главе «Разработка мероприятий по увеличению эффективности применения УШР 110 кВ в электрической сети» проведены исследования процессов, протекающих в УШР, которые снижают эксплуатационные возможности реактора. Первая часть главы посвящена определению факторов, ограничивающих возможность увеличения быстродействия реактора 110 кВ, а

также разработке мероприятий, позволяющих увеличить быстродействие УШР на ПС 110 кВ. --

Известно, что время набора и сброса реактором мощности определяется величиной приложенного выпрямленного напряжения к выводам обмотки управления - чем больше его значение, тем выше быстродействие УШР.

Практический опыт эксплуатации УШР типа РТУ-25000/110, а так же теоретические исследования с использованием разработанной компьютерной модели показывают, что существующая конструкция УШР накладывает ограничения на возможность реализации желаемого быстродействия. Так, увеличение значения приложенного выпрямленного напряжения не приводит к увеличению быстродействия реактора, а приводит лишь к увеличению скорости нарастания тока до своего номинального значения в обмотке управления (рис.6, а). Время набора мощности 5-100% составляет около 4 сек.

Анализ полученных результатов показывает, что непропорциональное увеличение тока в обмотке управления и сетевой обмотке вызвано переходными процессами, которые возникают в секциях сетевой обмотки при наборе реактором мощности.

На основании представленных в работе исследований, в качестве мер по увеличению быстродействия предлагается установка активных сопротивлений в полунейтралях СО, что позволяет демпфировать переходные токи в секциях сетевой обмотки и обеспечить пропорциональное увеличение тока до номинальных значений в ОУ и СО (см. рис.6,б). Исследования показывают, что оптимальные значения активных сопротивлений составляют 10 Ом.

Указанные мероприятия позволяют существенно, более чем на порядок, увеличить быстродействие реактора и, с учетом выпрямленного значения напряжения 500 В, которое прикладывается к выводам ОУ, обеспечить набор мощности УШР 5-100% за время 0,3 сек (см. рис. 6, б).

Стоит отметить, что устанавливаемые резисторы должны быть рассчитаны не только на переходные токи, которые возникают в режимах набора и сброса мощности, максимальные значения которых составляют ориентировочно 85 А, но и на токи, которые будут протекать через резисторы при однофазном КЗ вблизи реактора.

Оценить распределение токов в УШР при однофазном КЗ вблизи реактора можно на основании опыта нулевой последовательности, который показывает, что максимальное значение тока в каждой из полунейтралей управляемого реактора составляет около 180 А.

(а) (б)

Рисунок 6. Токи в сетевой обмотке и обмотке управления при наборе мощности УШР без учета установки активных сопротивлений (а) и с их учетом (б).

Помимо разработки мероприятий, позволяющих значительно увеличить быстродействие УШР, в настоящей главе проводится анализ возможных перенапряжений на выводах обмотки управления, которые могут возникнуть при включении реактора в сеть.

Показано, что в отличие от УШР 500 кВ, исследования переходных процессов в котором анализировались в четвертой главе, в УШР 110 кВ рассматриваемой конструкции при его включении без предварительного подмагничивания опасных с точки зрения повреждения преобразовательного блока перенапряжений не появляется.

Данное обстоятельство позволяет снять запрет завода-изготовителя на включение УШР 110 кВ в сеть без его предварительного подмагничивания, что существенно улучшает эксплуатационные свойства управляемого реактора.

Выводы. Исследованы процессы в УШР 110 кВ, влияющие на его быстродействие, определены причины, ограничивающие возможность уменьшения времени набора и сброса мощности реактора типовой конструкции. Разработан и запатентован способ, позволяющий существенным образом увеличить быстродействие УШР 110 кВ без конструктивных доработок электромагнитной части реактора. Кроме того, в главе доказано, что существующий запрет завода-изготовителя на включение УШР 110 кВ типовой конструкции без предварительного подмагничивания, а также необходимость использования дополнительных защитных мероприятий могут быть сняты, т.к. опасных, с точки зрения полупроводникового преобразователя, перенапряжений на выводах обмотки управления не возникает. Это позволяет обеспечивать АПВ линии с ПС 110 кВ с установленным УШР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная—к -защите диссертация является самостоятельной и законченной научно-квалификационной работой, посвященной управляемым шунтирующим реакторам. В работе решена актуальная задача более эффективного использования УШР на линиях электропередачи 500 кВ и подстанциях 110 кВ. Получены новые следующие теоретические и практические результаты:

1. В графической среде БипиПпк разработаны модели УШР 500 кВ и 110 кВ, которые используется для анализа коммутационных и динамических процессов в реакторах при их работе в энергосистеме. Модели созданы на основе реальных конструкций УШР, применяемых схемотехнических решений и учитывают характеристику намагничивания стали, которая используется в магнитной системе реактора. Проверка адекватности результатов расчета, полученных с использованием разработанной модели, проведена на основании протоколов испытаний завода-изготовителя, а также на основании сравнения с реальными осциллограммами и расчетами в других математических комплексах.

2. Оценено влияние управляемого реактора 500 кВ на процессы, протекающие в цикле ОАПВ линии с УШР. Представлены уточненные аналитические выражения, позволяющие оценить ток подпитки дуги от УШР и восстанавливающееся напряжение 50 Гц на отключенной фазе после погасания дуги КЗ.

3. Выявлено количественное влияние степени намагничивания стержней магнитной системы УШР на значения амплитуды и энергии коммутационных воздействий на выводах обмотки управления при включении управляемого реактора 500 кВ в сеть без его предварительного подмагничивания.

4. Разработан алгоритм управления УШР 500 кВ в цикле ТАПВ линии, который позволил снизить время, за которое обеспечивается готовность управляемого реактора к повторной подаче на него напряжения.

5. Исследованы процессы в УШР 110 кВ, влияющие на его быстродействие, определены причины, ограничивающие возможность уменьшения времени набора и сброса мощности реактора типовой конструкции.

6. Доказано, что существующий запрет завода-изготовителя на включение УШР 110 кВ типовой конструкции без предварительного подмагничивания, а также необходимость использования дополнительных защитных мероприятий могут быть сняты, т.к. опасных, с точки зрения полупроводникового преобразователя, перенапряжений на выводах обмотки управления не возникает. Данное обстоятельство позволяет в распространённых схемах

одностороннего питания ПС 110 кВ включать УШР без предварительного

—подмагничиванюь----—

7. На основании анализа коммутационных воздействий сформулированы требования к основным параметрам защитных устройств (ОПН), которые устанавливаются на стороне выпрямленного напряжения полупроводникового преобразователя. Разработанные ОПН впервые применены на действующих объектах установки линейных УШР 500 кВ, что подтверждено актом о внедрении, выданным организацией ООО «JIM Электро». '8. Разработанный алгоритм управления УШР в цикле ТАПВ линии впервые применен на введенных в эксплуатацию линейных УШР 500 кВ, что подтверждено актом о внедрении, выданным организацией ООО «Энергеия-Т». 9. Разработан и запатентован способ (Патент РФ на изобретение № RU 2473999 С1, опубликованный в Бюл. №3 от 27.01.2013), позволяющий существенным образом улучшить скоростные характеристики УШР 110 кВ без конструктивных доработок электромагнитной части реактора.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы как средство повышения эффективности работы электроэнергетических систем. Цыганов С.И., Кондратенко Д.В. // Электро, №1, 2008.

2. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике. Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г. и др. // Электро, №2, 2010 г.

3. Воздушные линии с УШР. Однофазное автоматическое повторное включение. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А., Шескин Е.Б. // Энергетик, №4, 2012 г.

4. Быстродействие управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов. Аристов К.В., Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. // Энергетик, № 6, 2012 г.

5. Опыт применения линейных управляемых шунтирующих реакторов. Возможные проблемы и пути их решения. Аристов К.В., Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Соколов Ю.В. // Электро, №4,2012 г.

6. Ввод в эксплуатацию управляемого шунтирующего реактора на Игналинской АЭС. Долгополов А.Г., Ахметжанов Н.Г., Кондратенко Д.В. и др. // Новости электротехники, № 6,2008 г.

7. Международный проект установки шунтирующего реактора на Игналинской АЭС. Долгополов А.Г., Ахметжанов Н.Г., Кондратенко Д.В. и др. // Электрические станции, № 3, 2009 г.

8. Опыт эксплуатации и сетевых испытаний управляемых

«Запорожтрансформатор». Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. 4

международная конференция. «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Москва, 23-24 июня 2009 г.

9. Опыт эксплуатации и результаты испытаний УШР. Адамов А.И., Долгополов А.Г. Кондратенко Д.В. // Вестник Алматинского института энергетики и связи, № 3 (6), 2009 г.

10. Опыт эксплуатации управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов производства ОАО «Запорожтрансформатор» в Литве и Казахстане. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. //Энерго-Info, № 10, 2009 г.

11. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике. Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г. Международный симпозиум ТРАВЭК-2010, г. Москва.

12. Управляемые шунтирующие реакторы - новое оборудование для повышения энергоэффективности в электроэнергетике. Долгополов А.Г., Гнедин П.А., Кондратенко Д.В.// «Энергетика и природные ресурсы Казахстана», №2,2010 г.

13. Опыт внедрения и эксплуатации управляемых шунтирующих реакторов. Долгополов А.Г., Кондратепко Д.В., Сиделев O.A. и др. - Международный симпозиум TPАВЭК-2011, г. Москва.

14. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Постолатий В.М. // «Региональные проблемы энергетики», №3,2011, Молдова.

15. Управляемые шунтирующие реакторы. Воздействия на тиристорные преобразовательные блоки при коммутациях УШР. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. // Новости электротехники, № 6,2011 г.

16. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы / М. В. Дмитриев, А. С. Карпов, Е. Б. Шескин, А.Г. Долгополов, Д. В. Кондратенко / Под ред. Г. А. Евдокунина. - СПб.: Родная Ладога, 2013. - 280 с.

17. «Способ увеличения быстродействия управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора». Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. // Патент РФ на изобретение № RU 2473999 С1, опубликованный в Бюл. №3 от 27.01.2013 г.

Подписано в печать Ц.ОЬ-M/Ö Заказ Тир. Печ.л.

Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д.13.