EA028401B1

EA028401B1 - Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор (варианты)

Info

Publication number: EA028401B1
Application number: EA201500998A
Authority: EA
Inventors: Михаил Олегович Райченко; Виктор Чобан
Original assignee: Хайченко, Ирина Валентиновна
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-11-30
Also published as: EA201500998A3; EA201500998A2

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Предлагается управляемый шунтирующий реактор, описанный в формуле изобретения. Технические результаты заключаются в повышении электродинамической стойкости реактора, повышении ремонтопригодности, повышении быстродействия и коэффициента полезного действия, повышении точности регулирования во всем диапазоне изменения мощностей реактора в сравнении с пропорциональным законом регулирования, обеспечении более устойчивой работы, в особенности при установке в "слабой" электрической сети.

Description

(57) Изобретение относится к области электротехники. Предлагается управляемый шунтирующий реактор, описанный в формуле изобретения. Технические результаты заключаются в повышении электродинамической стойкости реактора, повышении ремонтопригодности, повышении быстродействия и коэффициента полезного действия, повышении точности регулирования во всем диапазоне изменения мощностей реактора в сравнении с пропорциональным законом регулирования, обеспечении более устойчивой работы, в особенности при установке в слабой электрической сети.

028401 Β1

028401 В1

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве плавно регулируемого сопротивления, в частности в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях.

Предшествующий уровень техники

Известны два типа управляемых шунтирующих реакторов (УШР) - УШР трансформаторного типа и УШР, управляемые подмагничиванием.

Известен управляемый реактор для регулирования реактивной мощности - управляемый шунтирующий реактор-трансформатор фирмы ВВС, содержащий магнитопровод со стержнем и ярмами, сетевую обмотку и обмотку управления с управляемыми ключами - с включенными в каждую фазу управляющей обмотки встречно-параллельно соединенными тиристорами (Александров Г.Н., Борисов В.В., Иванов В.Л. и др. Электрические аппараты высокого напряжения. Учебное пособие для вузов под редакцией Александрова Г.Н., Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989, 344 с). Недостатком такой конструкции является повышенный расход активных и конструктивных материалов, высокие потери мощности и высокий уровень гармонических составляющих, вызванных токами через тиристорный вентиль совокупной мощностью, равной мощности реактора, что обусловливает сниженные техникоэкономические показатели.

Известен управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения высоковольтных линий электропередачи, содержащий электромагнитную часть, преобразователь подмагничивания, систему управления (патент РФ на изобретение № 2562062). Электромагнитная часть содержит магнитопровод с двумя стержнями на каждую фазу сети. На стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки. Преобразователь подмагничивания содержит управляемый преобразователь с двухобмоточным трансформатором питания, вторичные обмотки которого соединены с входом переменного тока управляемого преобразователя, а первичные обмотки - с выходом переменного тока преобразователя постоянного тока в переменный. Первичные обмотки двухобмоточного трансформатора питания соединены с выводами компенсационный обмотки реактора, а вторичные - с входом переменного тока преобразователя переменного тока в постоянный. Входы постоянного тока преобразователей постоянного тока в переменный и переменного тока в постоянный соединены между собой и с накопителем электрической энергии.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту аналогом является управляемый реактор с подмагничиванием, содержащий сетевую обмотку, соединенную в звезду, обмотку управления, секции которой соединены параллельно, и компенсационную обмотку, соединенную в треугольник (патент РФ на изобретение № 2181915). Трансформатор со встроенным преобразователем своей высоковольтной обмоткой подключен к выводам компенсационной обмотки реактора, а двумя выводами постоянного выходного напряжения его преобразователя, тиристоры которого соединены по схеме Ларионова, к обмотке управления. Напряжение синхронизации для системы импульсно-фазового управления подается от вторичной обмотки трансформатора. Регулирование тока в сетевой обмотке реактора производят с помощью пропорционального регулятора, в котором угол управления тиристорами встроенного преобразователя определяют по рассогласованию между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора.

Недостатками известного устройства являются низкое быстродействие и низкая точность регулирования. Кроме того, на сегодняшний день при изготовлении УШР во избежание большой материалоёмкости используются несимметричные эллипсоидальные в поперечном сечении обмотки специальной формы, что снижает электродинамическую стойкость реактора.

Сущность изобретения

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и расширение функциональных возможностей реактора.

Технический результат предлагаемого технического решения: повышение электродинамической стойкости реактора; повышение ремонтопригодности;

повышение быстродействия и коэффициента полезного действия;

повышение точности регулирования во всем диапазоне изменения мощностей реактора в сравнении с пропорциональным законом регулирования;

обеспечение более устойчивой работы, в особенности при установке в слабой электрической сети.

Поставленная цель достигается тем, что управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор содержит в себе магнитопровод с боковыми, верхними и нижними ярмами, каждая фаза которого состоит из двух полустержней;

три сетевые обмотки, по числу фаз, каждая из которых состоит из двух секций, расположенных таким образом, что каждая секция охватывает только один из упомянутых полустержней;

обмотку управления,

- 1 028401 компенсационную обмотку, расположенную внутри упомянутой обмотки управления; по меньшей мере один управляемый преобразователь, каждый из которых содержит в себе трехфазный трехобмоточный питающий трансформатор и подключенный к его вторичным обмоткам управляемый преобразователь, выполненный из двух отдельных управляемых трехфазных мостовых выпрямителей, выходы которых соединены с упомянутой обмоткой управления;

систему управления, выполненную с возможностью автоматического управления упомянутым управляемым преобразователем по астатическому закону;

упомянутые сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки имеют круглую форму сечения секций и в каждой фазе расположены соосно;

в каждой фазе упомянутые компенсационные обмотки расположены внутри обмоток управления, а упомянутые сетевые обмотки - снаружи.

Использование астатического закона управления для данного конструктивного исполнения обеспечивает максимальную эффективность работы УШР.

Система управления также может быть выполнена с возможностью автоматического управления упомянутым управляемым преобразователем по пропорциональному закону, при котором выходной сигнал регулятора системы управления принимает одно из нескольких дискретных значений в зависимости от рассогласования между текущим значением тока реактора и целевым током реактора, соответствующим текущему напряжению с учетом статизма.

В настоящее время практически все выпускаемые УШР имеют в каждой фазе эллипсоидальные в поперечном сечении сетевые обмотки (СО), компенсационные обмотки (КО) и обмотки управления (ОУ). Однако такая конструкция имеет более низкую электродинамическую стойкость и при изготовлении требуют специальной нестандартной оснастки и нестандартного оборудования, что увеличивает трудоёмкость, а также время проектирования и изготовления УШР. Поэтому в настоящем изобретении выбран вариант с использованием круглой формы сечения секций обмоток СО, КО и ОУ, что увеличивает электродинамическую стойкость, снижает время проектирования и изготовления. Увеличение реактанса между обмотками СО и КО и как следствие электродинамической стойкости обеспечивается также за счет того, что КО расположена внутри ОУ, а СО - снаружи.

Кроме этого, использование трехфазного выпрямителя в преобразователях снижает пульсации в постоянном токе в сравнении с однофазным выпрямителем и увеличивает среднюю ЭДС, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.

Установка трехобмоточных трехфазных трансформаторов и управляемых преобразователей в отдельных маслонаполненных баках повышает надежность и ремонтопригодность реактора за счет того, что отсутствует взаимовлияние между ПТ и УП и при выходе из строя, например, одного УП, другой остается в работе. При этом производимый ремонт на вышедшем из строя УП не отражается на работоспособности находящегося в работе оборудования - ПТ и УП.

Применение астатического закона управления обеспечивает повышенную точность регулирования во всем диапазоне изменения мощностей реактора в сравнении с пропорциональным законом регулирования, который является зависимым от статизма, и более устойчивую работу слабой электрической сети, к которой подключен реактор. Кроме этого, если рядом с УШР находятся другие средства с автоматическим регулированием реактивной мощности, то переключение с астатического закона на пропорциональный закон регулирования с заданным статизмом позволяет обеспечить согласованную работу всех устройств.

В одной из частных форм выполнения реактора, обмотка высокого напряжения упомянутого питающего трансформатора может быть (но не обязательно) подключена к упомянутой компенсационной обмотке.

В еще одной из частных форм выполнения реактора обмотка высокого напряжения упомянутого питающего трансформатора может быть (но не обязательно) подключена к внешнему источнику переменного тока.

В другой частной форме выполнения реактора мощность упомянутой компенсационной обмотки может составлять самое большее 35% от его (реактора) номинальной мощности. Мощность КО в 35% от мощности СО реактора, рассчитанная из расчета мощности питающего трансформатора (ПТ) с управляемыми преобразователями (УП) и мощности третьей гармоники, генерируемой УШР, снижает материалоёмкость и массогабаритные показатели реактора.

В одной из частных форм выполнения реактора каждый из упомянутых питающих трансформаторов может быть (но не обязательно) размещен в отдельном маслонаполненном баке.

В другой частной форме выполнения реактора каждый из упомянутых управляемых преобразователей может быть (но не обязательно) размещен в отдельном маслонаполненном баке.

В одной из частных форм выполнения реактора упомянутый питающий трансформатор может содержать (но не обязательно) повышающие и понижающие напряжение вторичные обмотки. Питающий трансформатор с пониженным и повышенным напряжениями вторичных обмоток и УП позволяют обеспечивать нормальный и форсированный режимы работы реактора за счет повышенного напряжения на

- 2 028401 выходе УП. Скорость набора мощности при форсированном режиме работы обеспечивает более высокое быстродействие реактора.

В еще одной частной форме выполнения реактора упомянутые мостовые выпрямители могут быть выполнены (но не обязательно) по схеме Ларионова.

В другой частной форме выполнения реактора упомянутые сетевые обмотки могут быть (не обязательно) соединены между собой по схеме звезда и подключаются непосредственно к шинам подстанции, фазы упомянутых обмоток управления соединены между собой параллельно и подключены к выводам постоянного выходного напряжения упомянутого управляемого преобразователя, а упомянутые компенсационные обмотки соединены между собой по схеме треугольник, при этом высоковольтная обмотка упомянутого понижающего трансформатора подключена к вершинам этого треугольника.

Краткое описание чертежа

На фигуре изображена электрическая схема заявленного реактора.

Осуществление изобретения

Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, показанный на фигуре, содержит три трехфазные обмотки: сетевую обмотку 1 (СО), обмотку управления 2 (ОУ) и компенсационную 3 (КО), расположенные соосно на соответствующих стержнях магнитопровода. Устройства подмагничивания постоянным током представляют собой отдельно стоящие трехобмоточные трехфазные питающие трансформаторы 4 (ПТ) с отдельно стоящими полупроводниковыми управляемыми преобразователями 5 (УП). Управление устройством подмагничивания осуществляется системой автоматического управления 6 (САУ), которая обеспечивает открытие соответствующих тиристоров УП с углом управления, заданным астатическим законом управления.

СО 1 в данном случае соединены в звезду и подключаются непосредственно к шинам подстанции или линии 110-750 кВ. Фазы ОУ 2 соединены параллельно и подключены к выводам постоянного выходного напряжения УП 5. КО 3, соединенная в треугольник и служащая для замыкания высших гармоник, кратных трем, имеет выводы из вершин треугольника, к которым подключается высоковольтная сетевая обмотка ПТ 4. Вторичные обмотки ПТ 4 питают соответствующие УП 5, тиристоры которых могут быть соединены по схеме Ларионова.

УШР, показанный на фигуре, работает следующим образом.

В нормальном режиме, при подключении СО 1 к шинам подстанции или линии 110-750 кВ и при наличии напряжения на них на выводах КО 3 имеется напряжение и один или несколько УП 5 путем изменения тока в ОУ 2 поддерживают ток, мощность реактора или заданное напряжение на шинах в зависимости от выбранного алгоритма управления. При этом УП 5 питаются от КО 3 или от источника собственных нужд подстанции через ПТ 4. Во втором варианте питания напряжение на обмотке ВН трансформатора как правило остается более стабильным, поскольку не зависит от нагрузки реактора и не падает по мере увеличения нагрузки из-за высокого реактанса между СО и КО. При этом компенсационная обмотка 3, соединенная в треугольник, продолжает использоваться для замыкания гармоник кратных трем.

Основным режимом автоматического управления УШР, применяемым обычно в эксплуатации, является стабилизация напряжения. При этом в САУ 6 используется астатическое регулирование потребляемой реактивной мощности (тока СО 1) по отклонению текущего напряжения на шинах от заданной уставки. По мере повышения напряжения на шинах информация от трансформаторов напряжения и тока поступает в САУ 6 и в зависимости от сигнала рассогласования между фактическим напряжением на шинах и заданной уставкой по напряжению угол управления тиристорами в УП 5 (для нормального режима работы) изменяется таким образом, чтобы регулировать скорость набора тока в обмотке ОУ 2, в результате чего соответственно ток СО 1 и мощность реактора изменяются от значений холостого хода до номинального. При этом в работе могут находиться один или два УП 5 для нормального режима работы. При снижении напряжения на шинах САУ 6 изменяет угол управления тиристорами УП 5 с целью уменьшения тока подмагничивания в ОУ 2 и, соответственно, уменьшения мощности УШР. Таким образом, в отличие от пропорционального закона регулирования, который определяет однозначное соответствие между приложенным напряжением и током реактора, управление тиристорами по описанному закону задает направление и скорость изменения тока реактора, реагируя не на значение текущего напряжения, и на рассогласование. При этом мощность реактора меняется не дискретно и плавно.

При резких отклонениях напряжения САУ 6 включает режимы форсированного набора (при напряжении сети выше заданной уставки) или сброса (при напряжении сети ниже заданной уставки) потребляемой реактивной мощности, используя вторичную обмотку ПТ 4 с повышенным напряжением и УП 5 для форсированного режима. Скорость форсированного набора или сброса мощности определяется максимальным выпрямленным напряжением УП 5 или кратностью форсировки по отношению к номинальному напряжению подмагничивания. Другими словами, для повышения быстродействия выхода реактора на режим потребления реактивной мощности вместо двух УП 5 нормального режима работы к ОУ 2 подключаются один или два УП 5 для форсированного режима работы, имеющих более высокое выходное напряжение и, соответственно, большую скорость изменения тока подмагничивания.

Использование этого режима и дальнейших режимов определяется выбранным алгоритмом САУ 6.

- 3 028401

Для ускоренного сброса мощности трехфазный тиристорный преобразователь УП 5 (для форсированного режима работы), который также может быть выполнен по схеме Ларионова, переводится в режим инвертирования с рекуперацией запасенной в ОУ энергии в сеть переменного тока.

При наличии подключенных рядом с УШР других средств с автоматическим регулированием реактивной мощности, имеющих статизм, в предлагаемом изобретении предусматривается возможность переключения с астатического закона на пропорциональный закон регулирования с заданным статизмом, что позволяет обеспечить согласованную работу всех устройств.

Предлагаемые технические решения исследованы на математических моделях УШР напряжением 220 кВ. Эти исследования и эксперименты на реальных, установленных в электрических сетях УШР, показали эффективность и работоспособность как отдельных решений, так всего комплекса УШР в целом.

Наиболее успешно заявленный управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор применим в области электроэнергетики.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, содержащий в себе магнитопровод с боковыми, верхними и нижними ярмами, каждая фаза которого состоит из двух полустержней;

три сетевые обмотки, по числу фаз, каждая из которых состоит из двух секций, расположенных таким образом, что каждая секция охватывает только один из упомянутых полустержней;

обмотку управления;

компенсационную обмотку, расположенную внутри упомянутой обмотки управления; по меньшей мере один управляемый преобразователь, каждый из которых содержит в себе трехфазный трехобмоточный питающий трансформатор и подключенный к его вторичным обмоткам управляемый преобразователь, выполненный из двух отдельных управляемых трехфазных мостовых выпрямителей, выходы которых соединены с упомянутой обмоткой управления;

систему управления, выполненную с возможностью автоматического управления упомянутым управляемым преобразователем по астатическому закону;

упомянутые сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки имеют круглую форму сечения секций и в каждой фазе расположены соосно;

в каждой фазе упомянутые компенсационные обмотки расположены внутри обмоток управления, а упомянутые сетевые обмотки - снаружи.
2. Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор, содержащий в себе магнитопровод с боковыми, верхними и нижними ярмами, каждая фаза которого состоит из двух полустержней;

три сетевые обмотки, по числу фаз, каждая из которых состоит из двух секций, расположенных таким образом, что каждая секция охватывает только один из упомянутых полустержней;

обмотку управления;

компенсационную обмотку, расположенную внутри упомянутой обмотки управления; по меньшей мере один управляемый преобразователь, каждый из которых содержит в себе трехфазный трехобмоточный питающий трансформатор и подключенный к его вторичным обмоткам управляемый преобразователь, выполненный из двух отдельных управляемых трехфазных мостовых выпрямителей, выходы которых соединены с упомянутой обмоткой управления;

систему управления, выполненную с возможностью автоматического управления упомянутым управляемым преобразователем по пропорциональному закону, при котором выходной сигнал регулятора системы управления соответствует одному из нескольких дискретных значений в зависимости от рассогласования между текущим значением тока реактора и целевым током реактора, соответствующим текущему напряжению с учетом статизма;

упомянутые сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки имеют круглую форму сечения секций и в каждой фазе расположены соосно;

в каждой фазе упомянутые компенсационные обмотки расположены внутри обмоток управления, а упомянутые сетевые обмотки - снаружи.
3. Реактор по любому из пп.1 или 2, характеризующийся тем, что в нем обмотка высокого напряжения упомянутого питающего трансформатора подключена к упомянутой компенсационной обмотке.
4. Реактор по любому из пп.1-3, характеризующийся тем, что в нем обмотка высокого напряжения упомянутого питающего трансформатора подключена к внешнему источнику переменного тока.
5. Реактор по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что в нем мощность упомянутой компенсационной обмотки составляет самое большее 35% от его (реактора) номинальной мощности.
6. Реактор по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что в нем каждый из упомянутых питающих трансформаторов размещен в отдельном маслонаполненном баке.

- 4 028401
7. Реактор по любому из пп.1-6, характеризующийся тем, что в нем каждый из упомянутых управляемых преобразователей размещен в отдельном маслонаполненном баке.
8. Реактор по любому из пп.1-7, характеризующийся тем, что в нем упомянутый питающий трансформатор содержит повышающие и понижающие напряжение вторичные обмотки.
9. Реактор по любому из пп.1-8, характеризующийся тем, что в нем упомянутые мостовые выпрямители выполнены по схеме Ларионова.
10. Реактор по любому из пп.1-9, характеризующийся тем, что в нем упомянутые сетевые обмотки соединены между собой по схеме звезда и он выполнен с возможностью подключаться непосредственно к шинам подстанции, фазы упомянутых обмоток управления соединены между собой параллельно и подключены к выводам постоянного выходного напряжения упомянутого управляемого преобразователя, а упомянутые компенсационные обмотки соединены между собой по схеме треугольник, при этом высоковольтная обмотка упомянутого понижающего трансформатора подключена к вершинам этого треугольника.