CC BY
28
9. Chrustalev B. S., Zdalinsky V. B., Bulanov V. P. Mathematical Model of Reciprocating Compressor With One or Several Stages for the Real Gases // International Compressor Engineering Conference. 1996. P. 1108. URL: http://docs.lib.purdue.edu/icec/ 1108 (дата обращения: 30.03.2017).
10. Михайлов А. К., Ворошилов В. П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат, 1989. 290 с.
11. Прилуцкий И. К., Прилуцкий А. И. Расчёт и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. СПб.: СПбГАХПТ, 1995. 193 c. ISBN 5-230-10678-6.
12. Perevozchikov M. M., Pirumov I. B., Chrustalyov B. S., Ignatiev K. S., Taha A. Low flow displacement compressor: thermo-dynamical process analysis // International Compressor Engineering Conference. 1992. P. 937. http://docs.lib.purdue.edu/icec/ 937.
13. Алтухов С. М. О долговечности работы мембран компрессоров // Химическое и нефтяное машиностроение. 1965. № 5. С. 8-11.
15. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. 232с.
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
НЕДОВЕНЧАНЫЙ Алексей Васильевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ЧИЖИКОВ Максим Александрович, магистрант гр. ТМОм-162 факультета «Элитное образование и магистратура».
САЖИН Богдан Сергеевич, магистрант гр. Хм-151 факультета «Элитное образование и магистратура». Адрес для переписки: bssi1980@mail.ru
Статья поступила в редакцию 03.04.2017 г. © В. К. Васильев, С. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный, М. А. Чижиков, Б. С. Сажин
удк 621.314 в. с. КЛИМАШ
Б. Д. ТАБАРОВ
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, г. Комсомольск-на-Амуре
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ_
Предлагается м агнитно-тиристорное пускорегулирующее устройство на в ысокой стороне трансформаторной подстанции взамен механического переключающего устройства. Оно обеспечивает управляемое включение и выключение силового трансформатора под н агрузкой и стабилизацию напряжения у потребителей н а заданном уровне. Исследования в среде Ма1!аЬ штатной и новой схемы показали, что предлагаемое устройство ог раничивает пусковые токи, просадку н апряжения и ударные электродинамическое усилия, действующие н а обмотки трансформатора, а выключение производится без тока и дуги через контакты выключателя. Ключевые слова: трансформаторные подстанции, регулирование н а пряжения под нагрузкой, пропускная способность электропередачи, коэффициенты мощности и полезного действия.
Введение. В настоящее время трансформаторные подстанции не оснащаются устройствами силовой электроники. В их комплект входит различная коммутационная аппаратура. Это высоковольтные и низковольтные выключатели, предназначаемые для подключения силовых трансформаторов к сети и нагрузке, и механические переключающие устройства типа ПБВ и РПН [1—6] для дискретного регулирования напряжения при отключенном силовом трансформаторе от сети и при работе под нагрузкой.
К недостаткам существующих выключателей с механическими контактами следует отнести включение при одновременном замыкании контактов во всех трех фазах, которые сопровождаются переход-
ными процессами с большими бросками токов и просадками напряжения в сети. Кроме этого, выключение разрывом электрической цепи механическими контактами сопровождается дугой. Все это приводит к дополнительным потерям в силовых трансформаторах и в сети, увеличению материалоемкости, удорожанию и сокращению срока службы электрооборудования. Кроме этих недостатков, РПН создает еще более тяжелые режимы для силовых трансформаторов, поскольку при переключении отпаек возникают межвитковые короткие замыкания с ударными токами и электродинамическими усилиями в высоковольтных обмотках трансформаторов. Мало того что РПН сам по себе сложное
и дорогое устройство, его применение в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) приводит еще и к усложнению и удорожанию эксплуатации.
Силовые трансформаторы со встроенным РПН имеют большое количество ответвлений в первичной обмотке. Это усложняет технологию производства трансформаторов и увеличивает их стоимость.
Разработка пускорегулирующего устройства для подстанций. Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается вместо РПН применять магнитно-тиристорное пускорегулирующее устройство (МТПУ).
Схема трансформаторной подстанции с высоковольтным МТПУ приведена на рис. 1. Она содержит трёхфазную сеть С, высоковольтный выключатель О, силовой трансформатор СТ, тиристорные ключи УБ, дроссель Ь, контактор АС и нагрузку 2.
Пускорегулирующее устройство включается между сетевым высоковольтным выключателем О и первичной обмоткой силового трансформатора СТ и может быть конструктивно согласовано как с сухими, так и масляными трансформаторами [7]. Производство тиристорных ключей УБ на 35 кВ и 2 кА освоено Опытным заводом ВЭИ им. В. И. Ленина (Москва) для статических компенсаторов реактивной мощности электросталеплавильных цехов. Эти тиристорные регуляторы применены на металлургическом комбинате «Амурметалл» (г. Комсомольск-на-Амуре) и находятся в эксплуатации более 15 лет.
Принцип работы схемы (рис. 1) заключается в том, что после включения высоковольтного выключателя О, при отключенном контакторе АС, к силовому трансформатору СТ прикладывается напряжение через тиристорный блок УБ.
Включение и выключение силового трансформатора СТ производится специальным способом [8]. Сначала тиристорными ключами УБ подключают две фазы первичной обмотки СТ к соответствующим фазам сети в момент перехода фазного напряжения
Рис. 1. Схема трансформаторной подстанции с магнитно-тиристорным устройством
третьей фазы сети через ноль, а затем подключают к сети С, третью фазу первичной обмотки силового трансформатора СТ в момент перехода линейного напряжения двух других фаз сети через ноль. В завершение процесса включения силового трансформатора СТ параллельно полностью открытым тиристорным ключом подключают трехфазный дроссель Ь посредством трехфазного контактора АС.
Для исследования штатной и новой схемы трансформаторной подстанции разработан программный комплекс в среде МаНаЪ [9]. Модель подстанции представлена на рис. 2 и содержит следующие блоки и модули. Три однофазных источника, образующих трехфазную сеть, блок трехфазной активно-индуктивной нагрузки, силовой трансформатор, блок магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства, конденсаторную батарею, измерительные блоки и другие вспомогательные элементы.
Математическое моделирование. В программу математического моделирования и исследования физических процессов подстанции по схеме МТПУ — СТ входило следующее:
1. Исследование штатной схемы при включении, отключении и дискретном регулировании напряжения силового трансформатора. Изучение переходных процессов и выявление недостатков.
2. Разработка новых модулей математической модели в среде МаНаЪ и проверка их адекватности физическим моделям. Построение модели ТП по схеме МТПУ — СТ.
Рис. 2. Блочно-модульная модель трансформаторной подстанции с магнитно-тиристорным пускорегулирующим устройством
Рис. 3. Силовой модуль магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства
бО 40 20 О -20 -40 -бО
0.05 а
[(л. В, С), А
^ОООГ" 1л оог yyVY У1<Л t,c
O.Ol
0.02
0.03
0.04
0.05 б
0.06 0.07
О .OS 0.09 O.l
Рис. 4. Осциллограммы токов сети при включении подстанции
электрическим аппаратом (а), и при включении и выключении — электронным аппаратом (б)
3. Исследование динамических процессов и разработка способов включения и выключения подстанции, а также способов перехода между включением и выключением на стационарный режим регулирования напряжения.
4. Исследования физических процессов при работе трансформаторной подстанции от магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства.
Каждый модуль и блок модели представляет собой частную систему дифференциальных уравнений. Стыковка модулей и блоков (объединение частных уравнений в общую систему дифференциальных уравнений) произведена по электротехническим принципам.
В состав модели МТПУ входит силовой модуль 6VS-Most-P из шести тиристоров, шунтированных дросселям, и система управления CONTROL systeml. На рис. 3 показана развернутая схема силового модуля магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства.
Результаты исследований. На рис. 4 представлены осциллограммы токов при включение СТ электрическим аппаратом по штатной схеме (а) и электронным аппаратом по новой схеме (б).
Из численного эксперимента (рис. 4б) видно, что включение и выключение трансформаторной под-
станции производится без негативного влияния на сеть.
После включения контактора АС, схема подстанции подготовлена к регулированию напряжения. Контактор АС включает дроссель Ь в цепь первичной обмотки силового трансформатора СТ и при плавном изменении проводящего состояния тирис-торных ключей УБ, производится непрерывное регулирование напряжения на входе трансформатора СТ и на нагрузке 2.
Верхний предел регулирования напряжения задается и устанавливается уменьшением коэффициента трансформации СТ (уменьшением числа витков первичной обмотки), а нижний предел — увеличением индуктивного сопротивления дросселя Ь.
Регулирование напряжения производится плавно с заданной интенсивностью, не вызывая возмущений переходных процессов в квазистационарных режимах. При необходимости диапазон регулирования напряжения на нагрузке может быть изменен применением дросселя с другим индуктивным сопротивлением. С уменьшением его сопротивления и, соответственно, диапазона регулирования искажения выходного напряжения также снижаются. Целесообразной областью применения являются трансформаторные подстанции промышленных предприятий
Рис. 5. Осциллограммы операций способа по включению и выключению подстанции
с напряжениями 35/(10 — 6) кВ и (10 — 6)/0,4 кВ, требующие устранение отклонений напряжения в узком диапазоне ±10 %.
Выключение силового трансформатора СТ подстанции без возникновения электрической дуги, коммутационных потерь и перенапряжений производится в три операции.
Сначала перед выключением контактора АС ти-ристорные ключи УЗ переводят в полностью открытое состояние (первая операция, угол управления а уменьшается до угла ср), обнуляя ток через контакты контактора АС и дроссель Ь.
Затем производят выключение контактора АС (вторая операция) и на завершающей стадии отключения силового трансформатора (третья операция), снимают управляющие импульсы с тиристорных ключей УЗ, и они в результате естественных процессов в первичной цепи СТ выключаются без коммутационных потерь. Процессы включения и выключения СТ подстанции показаны на рис. 5. Выполнение всех операций, связанных с включением и отключением подстанции, иллюстрируют осциллограммы, приведенные для трех фаз (рис. 5а) и для одной фазы А (рис. 5б). На рис. 5 введены следующие обозначения: 1 и 2 — фазное напряжение сети и нагрузки; 3 и 4 — ток сети и нагрузки; 5 и 6 — ток дросселя и тиристоров.
На этих осциллограммах показаны временные интервалы коммутационных процессов. На интервале Т-1 тиристорными ключами включаются две фазы В и С с последующим включением через четверть периода фазы А и одновременной подачей напряжения на катушку контактора. На интервале Т-2 при включенном контакторе и дросселе производится увеличение угла а с 15 до 75 град. На интервале Т-3 в результате перегрузки подстанции происходит срабатывание максимальной токовой защиты с предварительным шунтированием дросселя тиристор-ными ключами и последующим снятием управляющих импульсов с тиристоров.
Естественное отключение СТ однооперацион-ными тиристорами протекает следующим образом. Первой отключается та из фаз, ток в которой рань-
ше, чем в остальных фазах перейдет через ноль, а затем отключаются две оставшиеся фазы при переходе через ноль общего для них тока.
Результаты моделирования стационарных процессов этого устройства в составе ТП представлены на рис. 6 при разных углах управления тиристорами. Здесь введены обозначения: 1 — ток сети, 2 — ток тиристоров, 3 — ток дросселя.
Новое пускорегулирующее устройство позволит устранить недостатки, которые возникают при применении электрических аппаратов с механическими контактами.
Математическое моделирование ТП с МТПУ в цепи высоковольтной обмотки СТ в среде Ма1;ЬаЬ показало, что повышение или понижение напряжения сети не оказывает отрицательного действия на работу СТ, так как регулирование напряжения на входе подстанции обеспечивает стабильное напряжение у потребителей электрический энергии.
Будем различать три уровня в диапазоне регулирования напряжения:
— максимальный уровень, которым задается коэффициент трансформации силового трансформатора при полностью включенных тиристорах;
— номинальный уровень, который достигается изменением а тиристоров;
— минимальный уровень обеспечивает сопротивление дросселя при полностью выключенных тиристорах;
Произведем расчеты на ЭВМ для каждого из этих уровней. Результаты этих исследований приведены на рис. 7 и 8. Здесь показаны фазное напряжение сети 1 и нагрузки 2, ток нагрузки 4, ток сети (ток на входе СТ) 3, ток дросселя 5 и ток тиристоров 6.
На промышленных предприятиях из-за большого количества потребляемой реактивной мощности возникает необходимость её компенсации. Наиболее распространенным способом является подключение конденсаторов. Однако из-за повышения напряжения на входе подстанции приходится отказываться от этого простого способа [10, 11]. Применение устройства стабилизации напряжения устраняет этот недостаток.
Рис. 6. Осциллограммы токов при разных углах управления тиристорами: а) а = 65°; б) а = 75°; в) а = 102°
Рис. 7. Осциллограмма тока и напряжения при: а — максимальном режиме; б — номинальном режиме
Заключение. Численными экспериментами для новой схемы на имитационной модели установлено, что при включении подстанции токи нагрузки и сети практически сразу входят в установившийся режим. Магнитные потоки и токи намагничивания силового трансформатора в процессе пуска не имеют постоянных подмагничивающих составляющих и ударных динамических воздействий на обмотки СТ.
Отключение силового трансформатора производится при значениях токов, равных нулю, и, следовательно, без возникновения дуги между механическими контактами контактора.
Регулирование напряжения на входе силового трансформатора на заданном уровне позволяет сохранить паспортные значения его коэффициентов мощности и полезного действия.
а
б
в
а
б
Рис. 8. Осциллограмма тока и напряжения при: а — минимальном режиме; б — минимально-промежуточном режиме
Библиографический список
1. Сергеенков Б. Н., Киселев В. М., Акимова Н. А. Электрические машины: Трансформаторы / под ред. И. П. Копылова. М.: Высшая шк., 1989. 352 с. ISBN 5-06-000450-3.
2. Климаш В. С. Вольтодобавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсним и фазовым регулированием. Владивосток: Дальнаука, 2002. 140 с. ISBN 5-8044-0231-5.
3. Веников В. А., Идельчик В. И., Лисеев М. С. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. М.: Энерго-атомиздат, 1985. 214 с.
4. Вольдек А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1987. 832 с.
5. Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатом-издат, 1987. 648 с.
6. Князевский Б. А., Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Выс-шая школа, 1986. 400 с.
7. Пат. 166559 Российская Федерация, МПК Н 02 М 5/00, Н 02 Р 13/00. Пускорегулирующее устройство на стороне высокого напряжения трансформаторной подстанции / Кли-маш В. С., Табаров Б. Д., Гетопанов А. Ю. № 2016121772/07; заявл. 01.06.16; опубл. 10.12.16, Бюл. № 34.
8. Пат. 2622890 Российская Федерация, МПК H 02 M 5/257 (2006.01). Способ включения, выключения и регулирования
напряжения трансформаторной подстанции / Климаш В. С., Табаров Б. Д., Гетопанов А. Ю. № 2016131037/07; заявл. 27.07.16; опубл. 21.06.17, Бюл. № 18.
9. Климаш В. С., Табаров Б. Д. Программный комплекс математических моделей магнитно-тиристорного пускорегули-рующего устройства для силового трансформатора в среде МаНаЬ: свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. М.: ФИПС, 2017. № 2017613852 от 03.04.2017.
10. Мукосеев Ю. Л. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1973. 584 с.
11. Федоров А. А., Старкова Л. Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.
КЛИМАШ Владимир Степанович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Промышленная электроника». Адрес для переписки: klimash@yandex.ru ТАБАРОВ Бехруз Довудходжаевич, аспирант кафедры «Промышленная электроника». Адрес для переписки: behruz.tabarov@mail.ru
Статья поступила в редакцию 20.06.2017 г. © В. С. Климаш, Б. Д. Табаров
а
б
