Управляемые шунтирующие реакторы (УШР)

Долгополов Андрей Геннадьевич – Технический директор ООО«Энергетический Стандарт» - является одним из разработчиков  Управляемых шунтирующих реакторов. В 2015 году им была издана книга «Управляемые шунтирующие реакторы».  Содержание книги представлено ниже. Сама книга доступна в книжных магазинах.

Назначение УШР

В настоящее время в мировой электроэнергетике широкое распространение получают устройства FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) – управляемое оборудование для электрических сетей переменного тока. Применение устройств FACTS позволяет быстро и оперативно управлять потоками активной и реактивной мощности. Управляемый шунтирующий реактор (УШР) представляет собой новый тип устройств FACTS, который начиная с конца 90-х годов широко используется для стабилизации напряжения и управления перетоками реактивной мощности как в магистральных и распределительных сетях, так и на уровне крупных промышленных потребителей. В комплексе с батарей статических конденсаторов (БСК) управляемый реактор выполняет все функции статических тиристорных компенсаторов (СТК). В отличие от традиционного схемного решения СТК, состоящего из трансформатора связи, последовательно включенных реакторов и встречно-параллельного тиристорного вентиля на полную мощность, в УШР имеется только специфичное трансформаторное устройство, в котором роль реактора выполняют индуктивности обмоток, а роль встречно-параллельного тиристорного вентиля – насыщаемый стержень. В результате, вместо трех силовых элементов имеет место один. При этом УШР не требует установки мощных фильтров высших гармоник для обеспечения качества напряжения.

Назначение, эффективность и состав оборудования УШР для распределительных сетей (110 кВ и ниже) и для межсистемных связей (220 кВ и выше) несколько отличаются.

Сети 110 кВ и ниже. УШР применяется в основном параллельно с батареями статических конденсаторов в разветвленных сетях с сильной загрузкой и нагрузкой, чувствительной к уровню напряжения (например, асинхронная нагрузка).

Для сетей 220 кВ и выше. УШР эффективны на межсистемных линиях электропередачи с реверсивными перетоками активной мощности, резкопеременным графиком нагрузки. На объектах выдачи мощности гидроэлектростанций, режимы работы которых предусматривают возможность глубокого суточного и сезонного регулирования.

Исходя из задач, решаемых УШР, область их применения распространяется (но не ограничивается) на следующие районы электрических сетей:

• сети с резкопеременным графиком нагрузок;
• сети с изношенным коммутационным и трансформаторным оборудованием, которое часто используется для регулирования уровней напряжения;
• сети, образованные длинными транзитами, имеющими тенденцию к частому изменению величины и/или направления потоков мощности;
• сети, питающие потребителей с повышенными требованиями к стабильности напряжения;
• сети с повышенными потерями;
• сети, режим работы которых не позволяет обеспечить допустимую загрузку генераторов по реактивной мощности.

Широкие функциональные возможности УШР обеспечивают целесообразность их применения на различных классах напряжения. При этом ожидаемый эффект может проявляться как на уровне локального района потребительских сетей, так и при решении первоочередных задач национальной энергосистемы в целом.

В условиях формирования рыночных отношений в электроэнергетическом секторе и увеличения инвестиций в развитие электрических сетей, УШР предлагают целый ряд значительных выгод для всех хозяйствующих субъектов:

• на уровне магистральных и распределительных электрических сетей УШР обеспечивают существенное снижение потерь электроэнергии;
• на уровне потребителей УШР устанавливаются с целью стабилизации необходимого уровня напряжения, а также в качестве необходимых мероприятий по подключению к сети новых мощностей;
• наряду со снижением потерь и автоматической стабилизацией напряжения в точке подключения управляемые реакторы обеспечивают также резкое снижение числа коммутаций выключателей и РПН, увеличение пределов передаваемой по линиям активной мощности, оптимизацию перетоков реактивной мощности и разгрузку генераторов от ее потребления.

Принцип работы (основные характеристики)

Принцип действия управляемых реакторов с подмагничиванием аналогичен работе магнитного усилителя. Плавное регулирование потребляемой реактором реактивной мощности во всем диапазоне от холостого хода до номинальной мощности обеспечивается за счет насыщения рабочих стержней магнитной системы, на которых расположены обмотки реактора, постоянным потоком, который вызывается выпрямленным током в обмотке управления. Чем выше ток в обмотке управления, тем сильнее насыщены стержни магнитопровода и, соответственно, тем ниже индуктивность и сопротивление расположенной на стержнях сетевой обмотки. Для пояснения ниже показана электромагнитная схема трехфазного трехобмоточного УШР серии РТУ.

Приложенное к первичной обмотке переменное напряжение сети обуславливает соответствующий переменный поток в сердечнике и ток сетевой обмотки. Приложенное к обмотке управления постоянное напряжение подмагничивания от ТМП вызывает в ней постоянный ток и соответствующий постоянный поток в сердечнике, который по мере нарастания смещает переменный поток в область насыщения стали, что вызывает снижение индуктивности первичной обмотки и рост потребляемого ею переменного тока. Номинальный режим полупредельного насыщения наступает при времени нахождения суммарного потока стержня за перегибом характеристики намагничивания в течение половины периода частоты сети (180 эл.град). В таком режиме высшие гармоники отсутствуют и потребляемый реактором ток синусоидален.

Компенсационная обмотка реактора с соединением ее в треугольник обеспечивает замыкание в ней третьей гармоники (и кратных ей), что снижает содержание высших гармоник в потребляемом токе во всем диапазоне регулирования до величин ниже 3% от номинального тока. Коме того, к выводам КО подключается трансформатор основного ТМП.

Конструкция

Как видно, магнитной системы электромагнитной части и конструкции фазы УШР-500, управляемый подмагничиванием реактор отличается по конструкции от трехфазного трехобмоточного трансформатора соизмеримой мощности только расщеплением рабочих стержней каждой фазы и наличием ТМП небольшой мощности (1 МВА) с системой автоматического управления. Трансформаторная технология изготовления и эксплуатации обычного маслонаполненного оборудования позволяет существенно упростить и удешевить как изготовление, так и эксплуатацию УШР.

Первой на полустержнях располагается компенсационная обмотка, затем обмотка управления и внешней по отношению к ним расположена сетевая обмотка, соединяемая в звезду.

ТМП состоит из двух одинаковых маслонаполненных баков, в одном из которых размещается питающий трансформатор напряжением 10/0,4 кВ, в другом – тиристорный преобразователь, выполненный по схеме Ларионова. Единственным элементом, располагающемся в закрытом помещении, является система автоматического управления (САУ), обеспечивающая режимы автоматической стабилизации напряжения или поддержания заданного диспетчером уровня потребляемой реактивной мощности.

Магнитная система трехфазного УШР серии РТУ напряжением 500 кВ	Конструкция фазы УШР 500 кВ

Основные преимущества УШР с подмагничиванием

К основным преимуществам управляемых шунтирующих реакторов можно отнести их высокую надежность, лучшие технико-экономические показатели, конструктивную схожесть с обычным трансформаторным оборудованием и простоту в эксплуатации.

Для эксплуатации УШР не требуется специальная подготовка обслуживающего персонала и создание дополнительных рабочих условий на объекте установки. Не применение водяного охлаждения или размещение оборудования в закрытых помещениях (как в случаях с решениями на базе СТК). Дополнительным достоинством УШР является возможность его подключения непосредственно на шины высокого напряжения и отсутствие необходимости использования повышающих трансформаторов. Это позволяет обеспечить весь регулировочный диапазон реактора именно на том классе напряжения, где это необходимо по режиму работы электрической сети.

Опыт эксплуатации и эффективность

Опыт эксплуатации управляемых шунтирующих реакторов полностью подтвердил высокие потребительские качества устройств данного типа. Установка УШР обеспечивает непрерывное автоматическое управление оптимальными уровнями напряжения на целом ряде распределительных подстанций крупного района электрических сетей. При этом резко снижаются затраты на эксплуатационное обслуживание и ремонт трансформаторного и коммутационного оборудования, принимающего интенсивное участие в процессе регулирования напряжений.

Эффективность и окупаемость установки управляемых реакторов или замены ШР на УШР в значительной мере зависит от выбора места их установки и от характерных режимов прилегающей электрической сети. Так, например, установка первого УШР типа РТУ-25000/110 в 1998 году в Северных электрических сетях Пермэнерго (на ПС Кудымкар, параллельно с существующей конденсаторной батареей) окупилась в течение трех лет только за счет снижения потерь из-за перетоков реактивной мощности по длинным ВЛ от центра питания при максимуме суточных нагрузок и в обратном направлении в часы их минимума. Еще более характерным является установка трех таких УШР на севере Томской области на подстанциях, питающих буровые установки. Только за счет резкого снижения развала буровой нагрузки в грозовой период срок их окупаемости составил всего один год. В менее явных случаях подобных эффектов срок окупаемости УШР составляет от 5 до 10 лет. Например, установка УШР типа РТУ-180000/500 на ПС Таврическая МЭС Сибири наряду со стабилизацией напряжений и оптимизации перетоков по транзитным линиям снизила число коммутаций установленных на ПС неуправляемых ШР в десятки раз в год.