Патент на изобретение №2297062

(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР-АВТОТРАНСФОРМАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для компенсации избыточной реактивной мощности линии электропередачи и изменения на ней в широких пределах общего уровня напряжения. Технический результат заключается в совмещении в реакторе-автотрансформаторе функций регулирования реактивной мощности и регулирования в широком диапазоне напряжения на линиях электропередачи. Устройство содержит магнитопровод с ярмами и основным стержнем, разделенным на две продольные части: стержень без воздушных зазоров, вокруг которого расположены обмотка управления и охватывающая ее последовательная часть сетевой обмотки, и стержень с воздушными зазорами. Компенсационная обмотка и общая часть сетевой обмотки охватывают стержень без воздушных зазоров с указанными обмотками и стержень с воздушными зазорами. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

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

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

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

Аналогичные функции выполняет трехфазный управляемый реактор, имеющий дополнительную и вторичную обмотки, первая из которых используется для подмагничивания стержней магнитопровода постоянным током, а вторая предназначается для питания нагрузки (Авторское свидетельство СССР № 1558224, класс H01F 29/14 [2]).

Известен также трехфазный управляемый реактор-автотрансформатор (УРАТ), используемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и непосредственного подключения к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР № 17817111, класс H01F 29/14 [3]). Изменение реактивной мощности, потребляемой УРАТ, осуществляется путем изменения тока обмотки управления. Величина тока регулируется встречно-параллельно включенными в ее цепь тиристорами. Изменение угла зажигания тиристоров приводит к снижению (увеличению) указанного тока, но при этом генерируются высшие гармоники в токе основной обмотки УРАТ. Для устранения нечетных гармоник УРАТ снабжен фазосдвигающими и компенсационными обмотками, что усложняет его конструкцию. Основная обмотка УРАТ, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод. Этот магнитопровод подмагничивается постоянным током. Если подмагничивание отсутствует, то напряжение на обмотке ДАТ, включенной последовательно в основную обмотку, возрастает, а при определенном уровне подмагничивания – снижается. Таким образом может регулироваться напряжение на среднем выводе основной обмотки УРАТ, подключенном, например, к линии электропередачи (ЛЭП). Однако напряжение изменяется в пределах (8÷14)%, что недостаточно для осуществления глубокого регулирования напряжения на линии.

Магнитопровод планарной конструкции однофазного блока УРАТ может иметь два стержня, замкнутых общими ярмами. Фаза основной обмотки выполняется при этом из двух катушек, расположенных на разных стержнях и соединенных так, чтобы образовывался циркулирующий магнитный поток в магнитопроводе каждого однофазного блока. Такая конструкция предназначается для УРАТ большей мощности [3].

Все управляемые шунтирующие реакторы (УШР) с подмагничиванием сердечника постоянным током, в том числе и реакторы-трансформаторы типа [1], [2], [3] имеют серьезные недостатки:

– повышенное содержание гармоник в токе основной обмотки, вызываемое насыщением сердечника и работой тиристоров при неполных углах открытия;

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

– сложная схема управления, включающая фазосдвигающие и компенсационные обмотки;

– недостаточный диапазон регулирования напряжения на ЛЭП.

Указанные недостатки реакторов в значительной степени устранены в УШР трансформаторного типа (Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 Мвар пущен в эксплуатацию. Электричество, 2002, №3 [4]). УШР трансформаторного типа (ТТ) состоит из пятистержневого сплошного магнитопровода и трех обмоток. Обмотка управления (ОУ) примыкает к стержню, далее следует компенсационная обмотка (КО) и снаружи сетевая обмотка, которая предназначена для постоянного подключения к ЛЭП. ОУ замыкается тиристорами автоматически управляемым блоком. КО предназначена для компенсации высших гармонических и соединяется в треугольник.

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

Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются в основном для поддержания напряжения в контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное с ее нагрузкой регулирование общего уровня напряжения на этой ЛЭП (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966 [5]). Для оптимизации необходимо с увеличением передаваемой по ЛЭП активной мощности по определенным законам увеличивать общий уровень напряжения на ней и потребление из нее реактивной мощности. В какой-то мере такой режим может обеспечиваться описанными выше УРТ и УРАТ. Однако в силу технического несовершенства и недостаточного диапазона регулирования напряжения использование их для оптимального управления режимами протяженных ЛЭП весьма проблематично.

Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому устройству, является УРАТ по [3], предназначенный для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которой может быть подключена ЛЭП.

Цель изобретения – совмещение в УШРАТ функций регулирования реактивной мощности и регулирования в широком диапазоне напряжения на ЛЭП.

Поставленная цель достигается тем, что в управляемом шунтирующем реакторе-автотрансформаторе, содержащем магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенную на основном стержне сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки с выводом узла соединения между ними, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки блока. Причем основной стержень разделен на две продольные части: стержень без воздушных зазоров и стержень с воздушными зазорами, при этом стержень без воздушных зазоров охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а компенсационная обмотка и общая обмотка охватывают стержень без воздушных зазоров с упомянутыми обмотками и стержень с воздушными зазорами. Последовательная обмотка должна охватывать обмотку управления, а общая обмотка располагаться поверх компенсационной обмотки. Поперечное сечение стержней без воздушных зазоров и с воздушными зазорами выполняются в форме сегментов круга, причем по всей окружности размещены компенсационная и общая обмотка, а вокруг сегмента стержня без воздушных зазоров – последовательная и управляющая обмотки. Между торцами всех обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, причем кольцевые шунты выполняются по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы. Вывод сетевой обмотки и вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключены к электропередаче через коммутационные аппараты.

Конструкция УШРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего стержень без воздушных зазоров 1, стержень с воздушными зазорами 2, торцевые ярма 3, боковые ярма 4, верхний 5 и нижний 6 кольцевые шунты с радиальными разрезами, обмотки управления 7, последовательной обмотки 8, компенсационной обмотки 9, общей обмотки 10. (фиг.1).

На фиг.2 показано поперечное сечение однофазного блока трехфазного УШРАТ. Стержни 1 и 2, имеющие в сечении форму сегмента, охватываются соответствующими обмотками, которые сверху и снизу прикрываются кольцевыми шунтами, которые улавливают магнитный поток рассеяния и направляют его к ярмам магнитопровода.

На фиг.3 показана принципиальная однолинейная схема УШРАТ, на которой сетевая обмотка, состоящая из согласно включенных последовательной обмотки 8 и общей обмотки 10, включена на фазное напряжение, а компенсационная обмотка 9, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3-ей гармонической, имеет фильтры высших гармонических, состоящих из последовательно соединенных конденсатора 11 и дросселя 12, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники. Обмотка управления 7 подключается к управляющему блоку 13, который формируется на основе встречно включенных тиристоров и служит для регулирования тока сетевой обмотки.

На фиг.4 приведена схема включения УШРАТ в магистральную электропередачу сверхвысокого напряжения, на которой вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками 14 подключается непосредственно к линии электропередачи 15 и через коммутационный аппарат 16 – к шинам отправной (приемной) подстанции 17. Начало последовательной обмотки 8 соединяется с шинами 17 также через коммутационный аппарат 16.

УШРАТ предназначается для компенсации емкостной мощности, которая генерируется ЛЭП, и глубокого изменения на ней напряжения. Изменение потребляемой из ЛЭП реактивной мощности осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах магнитопровода. При увеличении сопротивления возрастает намагничивающая сила (ток) сетевой обмотки УШРАТ. Непрерывное регулирование потребления реактивной мощности осуществляется за счет изменения угла отпирания тиристоров управляющего блока 13. Увеличение тока обмотки управления 7 вызывает вымещение магнитного потока из стержня без воздушных зазоров 1 и постепенное переключение его в стержень с воздушными зазорами 2. В режиме короткого замыкания обмотки управления 7, осуществляемого блоком 13 (тиристоры полностью открыты), основной магнитный поток полностью вымещается из стержня 1 и переходит в стержень 2. При этом последовательная обмотка 8 теряет связь с основным магнитным потоком ввиду его вытеснения из стержня 1, на котором размещена эта обмотка. Короткозамкнутая обмотка управления 7 не может иметь потокосцеплений с магнитным потоком УШРАТ. Следовательно, в номинальном режиме (обмотка 7 замкнута) магнитный поток должен замыкаться таким образом, чтобы суммарное его потокосцепление с обмоткой 7 было равно нулю при обеспечении необходимого числа потокосцепления с сетевой обмоткой (обмотки 8 и 10 включены последовательно и согласно). Это означает, что основная часть магнитного потока проходит вне обмоток 7 и 8, расположенных на стержне 1, через стержень с воздушными зазорами 2.

Этот режим характерен тем, что в последовательной обмотке 8 не индуцируется э.д.с., направленная встречно приложенному напряжению. Тогда потенциал начала обмотки 8 сообщается его концу и напряжение, приложенное к сетевой обмотке УШРАТ, переходит к выводу узла соединения последовательной и общей обмоток 14, то есть передается линии. УШРАТ в этом режиме не действует как понижающий автотрансформатор (для отправного конца линии), а потребляет из линии максимальную реактивную мощность.

Если не требуется потребление реактивной мощности из ЛЭП, УШРАТ работает как обычный понижающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации где Е₈ и Е₁₀ – э.д.с., индуцируемые основным магнитным потоком соответственно в последовательной 8 и общей 10 обмотках. При вытеснении магнитного потока из стержня без воздушных зазоров 1 происходит снижение э.д.с. E₈ и увеличение коэффициента трансформации К_т и соответственно напряжения на выводе 14 (на линии электропередачи 15).

Для осуществления оптимального по потерям режима дальней линии электропередачи необходимо изменять напряжение в ее конечных узлах в соответствии с выражением

где U_m – напряжение в начале (конце) линии, Р – активная мощность в начале (конце) линии, g_m – параметр, определяемый обобщенными постоянными линии.

При этом реактивная мощность УШРАТ по концам линии должна изменяться по выражению

где Q_m – мощность реактора в начале (конце) линии, U_m – оптимальное значение напряжения в начале (конце) линии, определяемое по (1), b_m – параметр, зависящий от обобщенных постоянных линии (Электрические системы. т.III Передача электрической энергии постоянным и переменным током высокого напряжения. Под ред. В.А.Веникова. М.: Высшая школа, 1975 [6]).

Параметры g_m и b_m определяются по формулам

где – обобщенные постоянные линии.

Напряжение на линии U_m, определяемое по (1), пропорционально корню квадратному из активной мощности соответствующего конца линии. Управление током обмотки управления 7, осуществляемое тиристорами блока 13, вызывает одновременное изменение напряжения на линии и потребления из линии реактивной мощности. Эти изменения должны быть максимально приближены к значениям U_m, Q_m, определяемым соответственно по (1) и (2).

Следует заметить, что повышение коэффициента К_т при увеличении тока обмотки управления 7 приводит к снижению эквивалентного числа витков сетевой обмотки W_c=W₈+W₁₀, где W₈ и W₁₀ – число витков обмоток 8 и 10, из-за вымещения основного магнитного потока из зоны расположения обмотки 8. При короткозамкнутой обмотке управления 7 можно принять условие W₈0 и напряжение фазы полностью подключается к общей обмотке 10. Поэтому расчет магнитопровода и числа витков обмотки 10 должен проводиться с учетом этого.

Изменение (увеличение) коэффициента трансформации К_т, ведущее к уменьшению числа витков сетевой обмотки, должно сопровождаться дополнительным увеличением реактивного тока, потребляемого УШРАТ из ЛЭП, исходя из соотношения

где U_ф – полное напряжение фазы, b_p – проводимость УШРАТ. Причем значение b_p увеличивается при увеличении К_т в процессе управления режимом загрузки УШРАТ. Величина Q должна учитываться при оптимизации режима ЛЭП по напряжению на ней и потребляемой УШРАТ реактивной мощности.

Обмотка управления 7 замыкается тиристорным блоком 13, рассчитанным на полную мощность УШРАТ. При полностью открытых тиристорах в сетевой обмотке (W_c=W₈+W₁₀) и обмотке управления 7 ток равен номинальному. Это возможно в том случае, если напряжение короткого замыкания УШРАТ равно 100% его номинального напряжения. Последнее достигается соответствующим расположением сетевой и управляющей обмоток. Большая часть сетевой обмотки – общая обмотка 10 располагается на магнитопроводе с большим зазором по отношению к обмотке управления 7 (см. фиг.1, 2). Последовательная обмотка 8, которая является составной частью сетевой обмотки, имеет меньший зазор с обмоткой 7. Однако при учете соотношений числа витков обмоток 8 и 10 W₈=(0,25÷0,3)W₁₀ величина напряжения короткого замыкания будет определяться числом витков обмотки 10 (W₁₀>W₈}, тем более что действие обмотки 8 исключается при повышении реактивного тока УШРАТ.

При нагрузке линии, составляющей (10÷20)% ее натуральной мощности Р_C УШРАТ работает в режиме автотрансформатора, понижающего напряжения в начале линии на (30÷35)% от номинального уровня. Величина снижения общего уровня напряжения на линии согласуется с требованиями поддержания необходимого запаса устойчивости электропередачи.

Следует заметить, что УШРАТ в отправном конце линии работает на понижение напряжения, а в приемном конце – на повышение напряжения до уровня напряжения шин приемного узла.

В диапазоне изменения нагрузки линии до (0,2÷0,3)Р_C напряжение на линии остается неизменным (например, U_ЛЭП=0,7U_{ном.ЛЭП}). При дальнейшем повышении нагрузки регулируется (повышается) ток обмотки управления 7, благодаря чему повышается напряжение на линии и увеличивается потребляемая из линии реактивная мощность (по законам (2) и (3)). Этот процесс одновременного регулирования напряжения и реактивной мощности заканчивается при напряжении на линии, равном номинальному. Для линий 500 кВ с маркой провода 3-АСО-500 длиной 500, 1000, 1500 км указанное напряжение достигается при нагрузке линии, соответственно равной 0,35 P_C, 0,6 Р_C и 1,0 P_C (для ЛЭП-500 кВ Р_C=900 МВт).

Если регулирование напряжения на ЛЭП не требуется, то УШРАТ может работать в чисто реакторном режиме. Для этого требуется с помощью коммутационных аппаратов 16 произвести отключение последовательной обмотки 8 от шин подстанции 17 и подключение вывода узла соединения обмоток 8 и 10 (вывод 14) к шинам подстанции 17.

Предлагаемое устройство УШРАТ позволяет осуществить оптимальное управление сверхдальними ЛЭП сверхвысокого напряжения, которое базируется на одновременном глубоком регулировании общего уровня напряжения и потребления избыточной мощности, генерируемой линией. При этом изменение коэффициента трансформации УШРАТ производится бесконтактным способом путем изменения сцепления основного магнитного потока с последовательной обмоткой 8.

Использование УШРАТ в сверхдальних ЛЭП позволяет осуществить:

– передачу энергии по линии без промежуточных устройств компенсации реактивной мощности;

– успешное внедрение ЛЭП повышенной натуральной мощности ввиду более эффективного способа компенсации избыточной емкостной мощности линии;

– снижение затрат на сооружение ЛЭП;

– более гибкое управление нормальными и послеаварийными режимами электропередачи.

Формула изобретения

1. Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор, содержащий магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки с выводом узла соединения между ними, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки блоки, отличающейся тем, что основной стержень разделен на две продольные части: стержень без воздушных зазоров и стержень с воздушными зазорами, при этом стержень без воздушных зазоров охватывают обмотка управления и последовательная обмотка, а компенсационная обмотка и общая обмотка охватывают стержень без воздушных зазоров с упомянутыми обмотками и стержень с воздушными зазорами.

2. Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор по п.1, отличающийся тем, что последовательная обмотка охватывает обмотку управления, а общая обмотка охватывает компенсационную обмотку.

3. Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор по п.1 и 2, отличающийся тем, что поперечные сечения стержней без воздушных зазоров и с воздушными зазорами выполняется в форме сегментов круга, причем по всей окружности размещены компенсационная обмотка и общая обмотка, а вокруг сегмента стержня без воздушных зазоров последовательная и управляющая обмотки.

4. Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор по п.1 и 2, отличающийся тем, что между торцами всех обмоток и ярмами размещены кольцевые шунты с радиальным разрезом, причем кольцевые шунты выполнены по форме, соответствующей форме сечения торцов обмоток, выступающих за контуры магнитной системы.

5. Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор по п.1, отличающийся тем, что вывод сетевой обмотки и вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключены к электропередаче через коммутационные аппараты.

РИСУНКИ