автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Управляемые шунтирующие реакторы теориия и проектирование

г- <~> "

1 1' " САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСГВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

1:.л и...'

На правах рукописи

УДК 621.314.222.6 ШКУРОПАТ Игорь Анатольевич

УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУПЦИЕ РЕАКТОРЫ ТЕОРИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

/Г

Специальность 05.09.06 - Электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 190

Работа выполнена на кафедре "Электрические и электронные аппараты" Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессо Г.Н. Александров

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессо В.К. Ванин ;

кандидат технических наук Л.Н.

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт, г. Москва

Запдата состоится " ОКМЭс£рЦ 1998 г. в /О Тасов на заседании диссертационного цове'та К 063.38.24 в Санкт-Петербургском государственном техническом университет по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 25 главный корпус, ауд. Jé _.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библис ке технического университета.

Автореферат разослан "£0" (Х&Ъу^ТЩ 1998 г..

Учёный секретарь диссертационного совета К 063.38.24 кандидат технических наук, доцент

В.А. Масленнию

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных электросетях эффективность передачи электроэнергии может быть обеспечена применением управляемой поперечной компенсации реактивной мощности посредством плавно-регулируемых силовых индуктивных устройств - управляемых тунтирупцих реакторов (УШР). УШР должны отвечать требованиям экономичности, надежности и пр., и таким для них принципиальным, как высокое Быстродействие и практическая синусоидальность рабочего тока во всбм диапазоне регулирования. Актуальна задача разработки и промышленного освоения новых видов УШР, из которых хорошую перспективу имеют управляемые шунтирующие реакторы трансформаторного типа (УШРТ).

Цель работы. Разработка теории, конструкций и методов проектирования УШРТ с практически синусоидальным рабочим током, предназначенных для компенсации избыточной емкостной мощности в линиях переменного тока.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Основы теорий УШРТ с практически синусоидальным рабочим током: математическая модель на основе электрической схемы замещения; расчёт параметров реактора, обеспечивающих получение относительного содержания высших гармоник рабочего тока, нэ превышающего наперёд заданной по условиям работы в электросетях величины.

2. Схемо-конструктивная реализация УШРТ.

3. Обобщённый метод расчбта УШРТ на/основе его уравнения электромагнитной мощности. (

Научная новизна и значимость. у

Теоретически обоснована возможность создания плавнорегулируе-мого УШРТ с низким содержанием высших гармоник рабочего тока, для чего вторичная обмотка управления разбивается на несколько секций, образующих ступени регулирования, число и мощности которых определяются максимально допустимым коэффициентом высших гармоник. Предложена математическая модель для описания электромагнитных процессов в реакторах этого вида. На основании предложенной мат.модели выведены формулы, по которым определяются из условия обеспечения приемлемого содержания высших гармоник рабочего тока необходимое число ступеней и их относительные мощности.

Предложен ряд'схемо-конструктивных реализаций УШРТ.

Разработан обобщённый метод расчёта УШР, позволявший проводить оптимизационные расчёты, оценивать технико-экономических параметры и выбирать основные размеры проектируемого реактора.

Практическая ценность и внедрение.

Использование теоретических положений и разработанных мет< расчбта позволяет проектировать УШР в широком диапазоне мощно! и классов напряжений.

Согласно разработанной методики расчбта спроектирован и и: товлен модельный образец УШРТ. Результаты его испытаний годтв< дали правильность разработанной методики расчбта УШРТ и эффек ность разработанной системы подавления высших гармонических.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опублк вано 3 работы, из них 2 статьи и 1 патент.

Результаты работы были доложены на техническом совещании ] разработке и внедрению новой техники в АО "Трансформатор", г. Тольятти, 9 сентября 1995 г., и на заседаниях кафедры "Эле: рические и электронные аппараты" Санкт-Петербургского государ венного технического университета.

Структура и объбм работы. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения. Список литературы - 38-наименований. Объбм работы: 142 стр. текста, 32 стр. рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, научная нов и практическая ценность подученных результатов.

В первой главе рассмотрена теория работы управляемого шун рущего реактора трансформаторного типа (УШРТ). Одним из возм ных способов создания реактора с плавным регулированием мощно и низким уровнем генерируемых в сеть высших гармоник тока явл ся выполнение его в виде многообмоточного трансформатора, обы высокого напряжения которого является сетевой обмоткой (СО), обмотки низкого напряжения - обмотками управления (ОУ) (рис.1 Относительное значение напряжения короткого замыкания между С ОУ. должно быть не менее единицы. Если необходимо, в цепь ОУ б чаются последовательно токоограничивающие реакторы (РТ). Калу ОУ для регулирования еб тока снабжена тиристорным ключом (ТК; состоящим из двух встречно-параллельно включённых тиристоров, образует вместе с ним и РТ (если присутствует) цепь управлеш (ЦУ), а из работающих ЦУ в свою очередь складываются ступени регулирования. Рабочий ток в СО в этом случае складывается и: приведбнных токов работающих цепей регулирования. На первой с пени регулирования мощность реактора изменяется скачком от хс того хода, а на других плавно регулируется посредством ТК.

~ СО

0-

о/*,

ш

ГК2

СЭ

ТКУ

_ Рис. 1.

Принцшшальная электрическая схема УШРГ

Рис. 2.

Кривые токов-в обмотках -УШРГ' при отсутствии индуктивной: -взаимосвязи между ОУ

1 Мщ ~ - -Г~1 . 1—•

' 1 ] П "5а

гу " 0-

Ху/

0-

X

-СЗ-

с

луг

¿уз ^

/Уз. • .

Рис. 3.

Электрическая схема замещения трехступенчатого УШРТ и еб приведение к трехлучевой схеме замещения

оэЬ ■

Таг

СЧГ

РИС. 4.

Кривые токов в обмотках УШРТ-. при отсутствии.'индуктивной' взаимосвязи между ОУ

Сущность метода уменьшения уровня высших гармоник тока, о ловленных тиристоршм регулированием в силовой цеш, заключав: в непрерывном поступенчатом изменении мощности УШРТ, когда все предыдущие по включению ЦУ замкнуты накоротко, а последняя ши регулируется посредством ГК. В этом случае высшие гармоники т< в СО, генерируемые при работе ТК в последней по включению ОУ, соотносятся не только с током этой обмотки, но и с током перж гармоники, обусловленной всеми закороченными ОУ (рис. 2).

Получение практически синусоидального тока во всбм диапазс регулирования обосновывается следующим образом. Полагаем, что между СО-ОУ реактора полностью скомпенсированы индуктивные в; мосвязи по потокам рассеяния. При полностью открытом ТК в СО течбт синусоидальный ток первой, закороченной, ступени:

41У = . СП

где I - амплитуда тока в первой цепи управления (ЦУ) оп том ТК. Этот ток является для ещ5 не включенной второй ступеш током "подпора", служащим для понижения относительного уровня высших гармоник тока, генерируемых во время работы второй цеш управления.

С этого момента реактор начинает работать на второй ступе! регулирования. Его мощность плавно регулируется посредством изменения угла ср отпирания тиристоров, достигая своего наибол го значения при полностью открытом ТК. Ток во второй, регулирь мой, ЦУ в течение периода изменяется по закону (рис. 2):

12ущ. jsinfutj - sln(<p)J , ф $ wt $ ic-Ф ;

'гу

О , 0 si ot < ф и тс-<р $ wt $ 1С ; ^

1гут. [зщыг) + 81П(Ф)], тс-кр ^ tot $ 2и-ф ;

где 12 - амплитуда тока во второй, плавно регулируемой, L при полностью открытом ТК. Угол отпирания тиристоров здесь отс тывается от момента перехода тока через ноль в положительный v находится в диапазоне О $ ср < тс/2 (рис.2).

Рабочий ток реактора в СО при работе на второй ступени per лирования складывается из синусоидального тока в первой ЦУ и несинусоидального второй:

1= I1ymainrwt) + t2y(ut) . (3)

Относительное содержание высших гармоник тока во всбм диаг. зоне регулирования при работе реактора на второй ступени peryj рования оценивается по отношению к суммарной от регулируемой и нерегулируемой ступеней основной гармонике тока в СО.

При полностью замкнутой второй, регулируемой, ступени (ф = тс/2) рабочий ток в СО уже синусоидальный и является, в свою очередь, током "подпора" для работы на третьей ступени регулирования, когда замкнуты накоротко первая и вторая ЦУ, а третья плавно регулируется посредством ТК.

Отношение амплитуд n-ой гармоники к основной гармонике рабочего тока (коэффициент n-ой гармоники) :

j ain(n-\)(.р atnfn-H jcp

k = ГС" - - ст , n-1 ГИ-1 ^

1и1 " ' 1+ (Кст/%).(к-2ф-з1п(2ф))

где Дст - отношение мощностей регулируемой ступени и суммарной мощности предыдущих, закороченных степеней. Коэффициент п-ой гармоники рабочего тока зависит только от угла включения ТК работающей ступени ф и величины 'Кст .

При заданном допустимом значении коффициента n-oVi гармоники необходимо из (4) вычислить то максимальное получаемое значение Яст= Доттах. при котором во всбм диапазоне изменения угла отпирания тиристоров ф коэффициент высших гармоник тока не превышает заданного допустимого значения й^ ^ [йтд0п-' '

По КСТтах находится требуемое число ступеней, при котором при плавном регулировании мощности до номинального значения обеспечивается получение [йГпдо1 ступеней регулирования:

вается получение [йГпдоп]. Минимальное требуемое число

w^w / min ir(\ + яст; Г

где QCT1 - мощность нерегулируемой^ i-ой ступени.

Таким образом, расщеплением обмотки низкого напряжения на множество отдельных секций возможно получение, согласно формуле (4), любого, напербд заданного, относительного содержания еысших гармоник рабочего тока. Причбм, чем меньше заданный допустимый коэффициент высших гармоник тока, тем на большее число секций-ступеней следует разбивать ОУ, что нежелательно, в частности, с технологической точки зрения.

При диапазоне регулирования мощности УШРТ -( 0 - 100%) целесообразно принять мощность первой, нерегулируемой ступени - 53» от номинальной. Так как предполагается,что в трбхфазном реакторе гармоники, кратные трбм, будут скомпенсированы соединением компенсирующих обмоток в треугольник, то расчетный выбор конструктивных данных реактора ведбтся, исходя из верхнего допустимого значения коэффициента пятой гармоники. При [&г5доп] = 0.035

согласно (4). получаем: К___ =1.10; = 0.0336 при ф = 20°.

СТтах Г5тах *

При пяти ступенях регулирования мощность реактора распределяется по ступеням следующим образом (табл. 1):

Таблица 1

я ступ. принятые значения

^астз ^ст;) *ст

1 5.03 5.0% -

2 10.8% 5.8% 1.16

3 23.2% 12Л% 1.15

4 50.0% ' 26.8% 1.16

5 100.056 50.0% 1.00

где 02ст;)- суммарная мощность } полностью включенных ступеней; (Э . - мощность плавно регулируемой /-ой ступени .

ст д

Как видно из результата расчбта распределения мощности УШРТ по ступеням (табл? 1), мощность последней, 5-ой ступени равна сумме мощностей гфедыдущих четырёх ступеней. Это обстоятельство рационализирует конструкцию УШРТ, позволяя применять как конструктивный прототип силовой трансформатор с расщеплёнными обмотками. В таком реакторе ОУ выполняется в виде двух практически одинаковых по поперечным размерам обмоточных концентров: первый концентр, включающий в себя 0У1, 0У2, ОУЗ и совмещённую с ними 0У4 (0У1+0У2+0УЗ=0У4), и второй концентр 0У5. Его одинаковые по размерам концентры 0У4 и 0У5 расположены друг над другом, а две параллельные ветви СО выполняются с вводом в середину.

В общем случае между обмотками существует индуктивная взаимосвязь, то есть, процессы, проходящие в магнитосвязанных цепях СО-ОУ, взаимовлияют друг на друга. В качестве математической модели УШРТ с полным правом может быть использована электрическая схема замещения мнцгообмоточного трансформатора без учёта намагничивающего тока, во вторичные цепи которого подключены ТК. Показано, что работе УШРТ на каждой ступени регулирования соответствует своя трбхлучевая схема замещения с присущими именно работающей ступени параметрами, получаемая из общей схемы замещения путём последовательных эквивалентных преобразований треугольных контуров в звёзды (рис 3). В трёхлучевой схеме замещения УШРТ на работающей ступене в замкнутой, без ТК, ветви протекает суммарны! приведённый ток всех закороченных нерегулируемых цепей управления, а в ветви с ТК - ток регулируемой цепи (рис 3). Параметры электрической схемы замещения УШРТ и токораспределения по его

ветвям рассчитываются по "трансформаторным" методикам.

Исходя из трЗхлучевой схемы замещения УШРТ теоретически доказано, что уравнение (4), выражающее зависимость коэффициентов высших гармоник от угла регулирования ТК и отношения мощностей ступеней регулируемой к закороченным, справедливо и при наличии взаимосвязи между ОУ по магнитным потокам рассеяния.

Во второй главе выведено уравнение электромагнитной мощности (электромагнитного использования активного объбма) УШРТ, которое однозначно связывает основные размеры активной части реактора (рис. 5) с его номинальной мощностью и принятыми электромагнитными нагрузками активных материалов (плотности тока в обмотках, магнитная индукция в стали магнито-провода и т.п.). На его основе разработан обобщенный метод рас-чбта УШРТ: определение основных размеров и параметров реактора через совместное решение уравнения электромагнитной мощности

(выделено в (б) штриховой рамкой) Схема ^ной части и математических выражений,

связывающих параметры и геометрию активной части:

|' со.в с

!1 Он --

¡' ^ 2. Ис ! I______Ь

-I,

ок

|5сж= %(Ву+ Ьу/2),Ь/3 + х(33 - ь/2)'ь/3 +тс(Ву+Ьу+Ь12) ]

12

I = п + 2.А,

(б)

Ь = Шн/(к0^.П) , Ъ

Б = Бу + Ъу + 2Ъ12

у

+ ь ;

"1н/№об./у,Л) '

Ву = йс + 2Дс +Ьу

где эквивалентная поперечная площадь канала рассеяния

отс

магнитного потока между обмотками; Бс - площадь поперечного сечения стержня; коб , йоб , J , Jy - коэффициенты заполнения проводом и плотности токов СО и ОУ .

В УШРТ необходимая величина индуктивного сопротивления рассеяния СО-ОУ , "100%-ное напряжения КЗ" по трансформаторной терминологии, обеспечивается, согласно (6), сочетанием следующих

способов: уменьшением диаметра (активного сечения) стержня увеличением тем самым числа витков СО; уменьшением длины стер (обмотки); увеличением ширины канала между СО и ОУ.

По разработанному методу рассчитаны основные размеры и те ко-экономические показатели УШРТ на 60000 кВАр и 500кВ.

В третьей главе приведены и сопоставлены основные расчёта измеренные параметры модельного УШРТ 75 кВАр, 5.8 кВ с пятью пенями регулирования. Результаты экспериментов подтверждают п вильность разработанных теоретических положений и эффективное способа ограничения высших гармоник тока в УШРТ.

В четвёртой главе ¡выведено с учбтом магнитного рассеяния обмоток уравнение электромагнитной мощности управляемого шунт ругацего реактора с подмагничиванием (УШРП) и на его основе ра ботан обобщённый метод расчёта УШРП. Выполнены расчёты вариан УШРП 60000 кВАр, 500 кВ, результаты которых использованы в с нительном анализе УШР в пятой главе.

В пятой главе проведён сравнительный технико - экономичес анализ известных регулируемых статических устройств для компе ции реактивной мощности в электросетях. Сопоставление основнъ технико-экономических показателей УШРП и УШРТ проведено по ре зультатам их расчётов в предыдущих главах (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные данные результатов расчёта вариантов УШРП к УШРТ 60000 кВАр, 500//з кВ, 208 А

Осн. исходные данные ед. изм. Вариант

УШРП УШРТ

1. Угол насыщения фн _ тс/2 _

2. Диаметр стержня йс м 0.710

3. Высота обмотки П м 2.00

Результаты расчёта

4. Отн. мощность упр. 1 125

5. Отн. мощность доб. РТ — 18

6. Отн. мощность фильтров ч 21 _

7. Масса мед.провода щ>2 кг 11900 13600

8. Масса эл.тех.стали ста кг 66600 36200

9. Сум.масса акт.част.иакт кг 78500 49800

10. Потери в ном.режиме я кВт 320 320

11. Быстродействие сек 0.3 0.01

Сопоставительный анализ результатов расчётов, представлеь

-11в табл. 2 , показывает, что УШРТ, обладая практически синусоидальным рабочим током во всбм диапазоне регулирования, имеет по сравнению с УШРП существенно лучшие технико-экономические показатели за счЗт отсутствия в УШРТ ярем, которые служат в УШРП для проведения постоянного магнитного потока годмагничиванмя. Быстродействие УШРП на порядок выше УШРП за счбт непосредственного, в силовой цепи, тиристорного регулирования реактивной мощности и отсутствия инерционности, присущей УШРП из-за наличия постоянного магнитного потока подмагничивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ »

В настоящей работе решена задача по разработке основ теории и проектирования нового вида электрических реакторов - управляемого шунтируицего реактора трансформаторного типа (УШРТ) с практически синусоидальным рабочим током. Предложены промышленно реализуемые схемо- конструктивные исполнения этого вида управляемых реакторов. Проведены исследования физической модели этого реактора на уровне модельного образца.

В ходе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработаны основы теории управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа с практически синусоидальным рабочим током: математическая модель на основе электрической схемы замещения; расчбт параметров реактора, обеспечивающих получение относительного содержания высших гармоник рабочего тйка, не превышающего напербд заданной по условиям работы в электросетях величины.

2. Разработан обобщенный метод расчбта основных размеров активной части и параметров УШРТ, позволяющий проектировать реактор в широком диапазоне мощностей.

3. Проведбнные исследования физической модели УШРТ на уровне модельного образца, которые показали, что содержание высших гармонических в кривой тока (без третьей) на всех ступенях регулирования не превышает 4% от текущего тока. Тем самым, что подтверждена эффективность разработанной системы подавления высших гармонических.

4. Сравнительный технико-экономических анализ УШРТ и УШРП показал, что УШРТ, имея практически синусоидальный рабочий ток ео всбм диапазоне регулирования, имеет по сравнению с УШРП существенно лучше технико-экономические показатели.

Результаты работы отражены в следующих публикациях: 1. Шкуропат И.А. Расчбт параметров управляемого реактора уч5том магнитного рассеяния обмоток.- Электротехника, 1995, .

2. Александров Г.Н., Альбертинский Б.И., Шкуропат И.А. Пр

ципы работы управляемого шунтирующего реактора трансформатор! типа. - Электротехника, 1995, Ji 11.

3. Александров Г.Н., Альбертинский Б.И., Федотов М.Т., Шк; пат H.A. Управляемый реактор. Патент J6 PCT/RU96/00037 .