Результат интеллектуальной деятельности: ИСТОЧНИК РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110...750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.

Известны традиционные средства компенсации и регулирования реактивной мощности в электрических сетях - синхронные компенсаторы (СК) и статические тиристорные компенсаторы (СТК).

СК являются вращающимися электрическими машинами, требующими закрытых помещений и постоянного квалифицированного обслуживания.

Аналогом предлагаемого изобретения по назначению и составу оборудования является СТК, содержащий трехфазную силовую индуктивность, регулируемую последовательно подключенными тиристорными ключами, и подключенную параллельно ей конденсаторную батарею [1]. В СТК отсутствуют подвижные элементы, однако они так же, как и СК, нуждаются в охлаждении, закрытом помещении, специальном обслуживании, поскольку средством регулирования в них являются высоковольтные тиристорные ключи на номинальную мощность, не допускающую неизбежных в эксплуатации кратковременных и аварийных перегрузок.

Кроме того, СТК (так же, как и СК) не могут быть выполнены на напряжение 110...750 кВ, что требует подключения их к промежуточному трансформатору на полную мощность либо к третичной обмотке существующих автотрансформаторов (что возможно в существующих сетях далеко не всегда). И в первом, и во втором случае существенно снижается эффективность регулирования реактивной мощности на стороне высокого напряжения. Кроме того, в первом случае увеличивается стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации.

В то же время существует новый тип регулируемой силовой индуктивности - управляемый подмагничиванием реактор [2], на базе которого можно создать статический компенсатор реактивной мощности, лишенный указанных выше недостатков и способный заменить СК и СТК в сетях напряжением 110-750 кВ.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по назначению и составу оборудования (прототипом) является статический компенсатор реактивной мощности - источник реактивной мощности, состоящий из регулируемой индуктивности - управляемого подмагничиванием трехфазного реактора, который непосредственно подключен к сети высокого напряжения, а также конденсаторной батареи, также подключенной к сети высокого напряжения с секционированием через выключатели [3]. Прототип обеспечивает повышение эффективности регулирования реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования и повышение его надежности.

Прототип имеет следующие недостатки: невозможность плавного регулирования источника реактивной мощности (ИРМ) из-за необходимости коммутации одного или двух секционных выключателей, невозможность полной автоматизации работы ИРМ из-за необходимости ручной (оператором) коммутации одного или двух секционных выключателей, снижение быстродействия реагирования на изменения напряжения сети и надежности работы ИРМ по той же причине, увеличенную стоимость основного оборудования из-за не оптимального соотношения номинальной мощности управляемого подмагничиванием реактора и мощности секций конденсаторной батареи, наличие больших бросков тока при подключении к сети реактора и секций конденсаторной батареи.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков - увеличение функциональных возможностей ИРМ и снижение стоимости установленного оборудования, входящего в комплектацию ИРМ, а также снижение бросков тока при подключении к сети.

Указанная цель достигается тем, что в источнике реактивной мощности, содержащем трехфазный управляемый подмагничиванием реактор, подключенный к сети высокого напряжения, трехфазную конденсаторную батарею с выключателями, выполненную из двух секций и подключенную параллельно фазам реактора, а также систему автоматического управления, источник реактивной мощности дополнительно снабжен выключателем, через который реактор и конденсаторная батарея подсоединены к сети высокого напряжения, а выключатели обеих секций конденсаторной батареи подсоединены к системе автоматического управления, причем

Q_c=(0,8÷1,2)Q_p,

где Q_c - мощность каждой секции конденсаторной батареи, Q_p - мощность реактора.

Принципиальная схема источника реактивной мощности изображена на чертеже. Условно трехфазная схема для упрощения чертежа традиционно дана в виде однолинейной электрической схемы.

К шинам трехфазной сети 110...750 кВ через общий выключатель 1 параллельно подсоединены трехфазный управляемый подмагничиванием реактор 2 и две секции трехфазной конденсаторной батареи 3 и 4 через секционные выключатели 5 и 6. Возможен также вариант схемы с разъединителем (или выключателем) между общим выключателем 1 и реактором 2 (не показан).

К системе автоматического управления САУ 7 подключен датчик напряжения 8 сети 110...750 кВ - трехфазный трансформатор напряжения и датчик тока 9 реактора - трехфазный трансформатор тока. САУ 7 соединена с реактором 2 для автоматического регулирования тока подмагничивания и реактивной мощности реактора. К САУ 7 подсоединены секционные выключатели 5 и 6. Кроме этого, к САУ 7 подсоединен маломощный источник постоянного напряжения 10 для регулирования предварительного подмагничивания стержней реактора в режиме отключения ИРМ от сети.

Приведенный на схеме источник реактивной мощности работает следующим образом.

При работе ИРМ в сети и при полной нагрузке сети (в дневное время суток) включены общий выключатель 1 и секционные выключатели 5 и 6. Так как при полной нагрузке из-за падения напряжения возникает недостаток реактивной мощности, САУ 7, получив соответствующую информацию от трансформатора напряжения 8, вырабатывает и передает сигнал в управляемый выпрямитель реактора 2 (который питается автономно от одной из обмоток реактора) на снижение тока подмагничивания. В результате реактор 2 снижает свой ток до минимального (обычно несколько процентов от номинального), и сеть получает максимальную реактивную мощность от конденсаторной батареи 3 и 4 (в пределе до величины около 2Q_c, где Q_c - мощность каждой секции конденсаторной батареи). При изменении нагрузки в сети происходит изменение напряжения, регистрируемое трансформатором напряжения 8, и САУ 7, регулируя ток подмагничивания реактора, автоматически поддерживает напряжение сети в заранее установленных в САУ 7 пределах.

При снижении нагрузки сети потребность ее в реактивной мощности для стабилизации напряжения снижается, при этом САУ дает сигнал на автоматическое отключение сначала одного секционного включателя 3, а затем и второго 4.

При снижении нагрузки и ее отсутствии (например, в ночное время суток) в сети имеется избыточная реактивная мощность из-за наличия распределенной емкости сети на землю. В этом случае в сети может возникнуть повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа ИРМ в режиме потребления реактивной мощности. В этом случае САУ автоматически обеспечивает работу в режиме плавного изменения потребляемой ИРМ реактивной мощности при отключенных секционных выключателях 5 и 6 в пределе до максимально допустимой мощности реактора 1,2Q_p, где Q_p - номинальная мощность реактора.

Таким образом, ИРМ при помощи системы автоматического регулирования САУ 7 путем ступенчатого (коммутацией секционных выключателей 5 и 6) и плавного (подмагничиванием реактора 2) обеспечивает плавное автоматическое изменение реактивной мощности в пределах от -1,2Q_p до +2Q_c и автоматическую стабилизацию напряжения в сети на заданном уровне.

Сигнал САУ на коммутацию секционных выключателей зависит от достижения реактором максимально допустимой мощности 1,2Q_p, о чем САУ получает информацию от трансформатора тока 9.

При включении ИРМ в сеть общим выключателем 1 (автоматически по управляющему сигналу от САУ 7, к которому поступает информационный сигнал от трансформатора напряжения 8, или по директивному сигналу оператора электрической сети) при отключенных по сигналу от САУ 7 секционных выключателях 5 и 6 начальное подмагничивание обеспечивает практически мгновенный выход ИРМ на потребление номинальной мощности реактора Q_p.

ИРМ и сеть находятся в особых условиях при первом подключении и подключении после ревизии или ремонта.

В первый момент при подключении ИРМ к сети общим выключателем 1 (в интервале времени вблизи прохождения кривой напряжения через нулевое значение) в реакторе 2 и в секциях батареи 3 и 4 могут возникнуть большие броски тока. Однако в реакторе 2 (т.е. в индуктивности) и секциях 3 и 4 (т.е. в емкости) броски тока включения имеют противоположные знаки (фазы тока в параллельно соединенных индуктивности и емкости сдвинуты на 180°). Это приводит к тому, что бросок тока ИРМ через выключатель 1, т.е. бросок тока, представляющий опасность для оборудования подстанции, на которой установлен ИРМ, будет существенно снижен по сравнению с прототипом, в котором предложенный дополнительный общий выключатель 1 отсутствует. Это связано с тем, что в прототипе реактор и секции конденсаторной батареи коммутируются раздельно (при общей команде на включение три выключателя работают с разбросом времени включения), поэтому ИРМ - прототип более опасен для оборудования подстанции с точки зрения бросков тока включения.

Соотношение мощности реактора Q_p и мощности каждой из двух секций конденсаторной батареи Q_c составляет

Q_c=(0,8÷1,2)Q_p.

При таком соотношении оптимально используются мощности всех трех силовых устройств ИРМ, обеспечивающие задаваемый диапазон изменения мощности ИРМ от 2Q_c до -1,2Q_p. При соотношении мощностей, выходящем за эти пределы, оказывается недоиспользованной мощность реактора или конденсаторных батарей, либо снижены пределы плавного регулирования мощности, что не обеспечивает задания точности стабилизации напряжения сети, либо оказываются возможными режимы с недопустимым длительным использованием реактора за пределами максимально допустимой мощности. Проделаны подробные расчеты на математической модели, подтверждающие предлагаемое соотношение мощностей, которые могут быть при необходимости дополнительно предоставлены.

Предлагаемый ИРМ по сравнению с прототипом имеет увеличенные функциональные возможности за счет расширения области автоматического регулирования и сниженную стоимость установленного оборудования, входящего в комплектацию ИРМ, за счет введения в электрическую схему нового элемента, установления новых связей между элементами и установления оптимального соотношения между мощностью управляемого подмагничиванием реактора и мощностью секций конденсаторной батареи.

Работоспособность предлагаемого источника реактивной мощности и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, математическим моделированием, результатами испытаний аналогичных устройств. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов ИРМ для серийного производства.

Литература

1. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора тех. наук проф. A.M.Брянцева. - М.: «Знак». 2004.

2. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, №2.

3. Патент на изобретение РФ №2282912 по заявке №2004121712, приоритет изобретения 16 июля 2004 года. Опубликовано: 27.08.2006 в Бюл. №24.