CC BY
72
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314
РЕАКТОРНО-ТИРИСТОРНОЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЕ И КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В.С. Климаш, Б.Д. Табаров
Предлагается построение устройства по принципу косвенной компенсации реактивной мощности сети с одновременной стабилизацией напряжения у потребителей. Устройство содержит параллельно подключенные к сети косинусные конденсаторы и последовательно включенный в высоковольтную цепь трансформаторной подстанции двухподдиапазонный реакторно-тиристорный блок из параллельного соединённого реактора и тиристорного регулятора переменного напряжения. Кроме этой функции реакторно-тиристорный блок обеспечивает безударное включение силового трансформатора без бросков токов и просадок напряжения, а также его выключение без возникновения электрической дуги между контактами высоковольтного выключателя.
Ключевые слова: трёхфазная сеть, конденсаторная батарея, трансформаторная подстанция, реакторно-тиристорный регулятор, операции управления, математическая модель.
Введение. Серийно выпускаемые тиристорные регуляторы переменного напряжения с естественной коммутацией (ТРНЕ) имеют сравнительно небольшие массогабаритные показатели, обладают высоким быстродействием и эксплуатационной надёжностью. Их применяют для пуска асинхронных двигателей, в нагревательных установках, осветительных системах, на входе диодных выпрямителей и др. технологиях. По индивидуальным проектам они изготавливаются на напряжение 35 кВ и ток 2 кА для статических компенсаторов реактивной мощности электросталеплавильных производств [1].
Вместе с тем, опытные проработки по применению ТРНЕ в качестве пускорегулирующих устройств для силовых трансформаторов (СТ) подстанций 6 (10) / 0.4 кВ не нашли практического применения. Это вы-
звано тем, что при увеличении угла управления тиристорами ТРНЕ потребляет дополнительную реактивную мощность и вносит искажения в выходное напряжение и входной ток подстанции [2,3].
Аналитическое исследование литературы по данной проблеме, изучение патентов и опыта испытаний в условиях промышленной эксплуатации позволило создать новое техническое решение применительно к трансформаторным подстанциям (ТП). Оно заключается в разработке для СТ специального реакторно-тиристорного регулятора переменного напряжения [4] с естественной коммутацией (Р-ТРНЕ) [5] и способа управления им [6].
Устройство, как и механический РПН, устанавливается на высокой стороне СТ и при непрерывном регулировании обеспечивает стабильное напряжение у потребителей при отклонениях напряжения в сети от номинального на ±10%. При этом оно обеспечивает синусоидальное напряжение на входе и выходе СТ при трех значениях напряжения в сети (при номинальном значении, а также при повышенном и пониженном на 10%). Между этими синусоидальными уровнями производиться непрерывное узкодиапазонное регулирование в двух поддиопозонах: верхнем при пониженном и нижнем при повышенном напряжения в сети. Регулирование производиться с гармоническим составам напряжения, удовлетворяющему ГОСТу и без искажения формы и сдвига фазы тока в сети.
Способ управления Р-ТРНЕ кроме двухподдиапазонного регулирования обеспечивает безударное включение СТ под нагрузкой, при котором отсутствуют ударные электродинамические усилие на обмотки трансформатора и просадки напряжения, а выключение производится без возникновения дуги на механических контактах высоковольтного выключателя [7].
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование на математической модели регулировочных свойств и энергетических показателей подстанции по схеме Р-ТРНЕ- СТ.
Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующих задачи.
1. Разработка программного комплекса для исследования подстанции по схеме Р-ТРНЕ- СТ.
2. Исследование напряжений на входе СТ и у потребителей при отклонении напряжения в сети на ±10% от номинального.
3. Исследование формы тока в сети, реакторе, тиристорных ключах и на входе СТ в процессе стабилизации напряжения у потребителей.
4. Исследование фазы тока сети при отклонении напряжения на входе подстанции, в состав, которой входят Р-ТРНЕ и блок конденсаторов.
Разработка специализированного устройства для трансформаторной подстанции. Предлагаются две схемы подключения устройства Р-ТРНЕ в первичную цепь СТ подстанции. Они приведены на рис. 1. В первой схеме (рис.1, а) устройство включается между сетью и первичной об-
моткой СТ, соединений в звезду и его система импульсно-фазового управления синхронизирована с напряжением вторичной обмотки СТ. Во-второй схеме (рис.1, б) устройство включается в рассечку звезды первичной обмотки СТ, и его система импульсно-фазового управления через измерительный трансформатор напряжения ИТН синхронизирована с сетью. Обе схемы выполняют регулирование с идентичными физическими процессами и имеют свои достоинства и недостатки при реконструкции существующих и вновь проектируемых ТП с учетом применения в них сухих или масляных СТ. Вместе с тем, преимуществом второй схемы является то, что при возникновении трехфазного короткого замыкания в первичной обмотке СТ тиристоры не подвергаются воздействию аварийным током.
а
СТ ъ
Рис. 1. Схемы трансформаторной подстанции с реакторно-тиристорным регулятором напряжения
Схемы (рис. 1) содержат трёхфазную сеть G, линию электропередачи W, входной высоковольтный выключатель Q1, высоковольтный выключатель Q2 в цепи батареи конденсаторов БК, основные VS1 и дополнительные VS2 тиристорные ключи с системой импульсно-фазового управления СИФУ, контактор AC, основной L1 и дополнительный L2 реакторы, силовой трансформатор СТ, измерительный трансформатор напряжения ИТН и активно-индуктивную нагрузку 7.
Устройство работает следующим образом.
344
Включение силового трансформатора СТ производят при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключах VS2. При этом сначала двумя основными тиристорными ключами VS1 через дополнительный реактор L2 подключают две фазы его первичной обмотки к соответствующим фазам сети G в момент перехода фазного напряжения третьей фазы сети G через ноль, затем третьим основным тиристорным ключом VS1 подключают третью фазу первичной обмотки силового трансформатора СТ к третьей фазе сети в момент перехода линейного напряжения двух других фаз сети через ноль. В завершение процесса включения силового трансформатора СТ с одновременной подготовкой подстанции к регулированию напряжения, параллельно полностью открытым основным тиристорным ключам VS1 посредством трехфазного контактора АС подключают основного реактора L1. Затем при изменении проводящего состояния тиристоров начинают процесс регулирования напряжения как вверх, так и вниз относительно напряжения сети. Верхний предел задаётся коэффициентом трансформации силового трансформатора, а нижний предел сопротивлением реактора.
Предлагаемый способ управления Р-ТРНЕ обеспечивает регулирование напряжения на входе силового трансформатора относительно напряжения сети и у потребителей между заданными пределами регулирования: максимальным и минимальным разделёнными номинальным уровнем.
Максимальный предел регулирования напряжения на нагрузке силового трансформатора задают коэффициентом трансформации силового трансформатора СТ при полностью выключенных основных ключах VS1 и полностью включенных дополнительных тиристорных ключах VS2 при пониженном напряжении в сети G. Дополнительные тиристорные ключи VS2 в этот момент шунтируют основной L1 и дополнительный L2 реакторы в цепи первичной обмотки силового трансформатора СТ.
Номинальный уровень напряжения на нагрузке обеспечивается при полностью включенных основных ключах VS1, которые шунтируют основного реактора L1 и полностью выключенных дополнительных тиристорных ключах VS2 при номинальной напряжения сети G и номинальной нагрузке Ъ.
Минимальный предел регулирования на нагрузке задают суммарным сопротивлением основной L1 и дополнительной L2 реактор при полностью закрытых основных VS1 и дополнительных VS2 тиристорных ключах при повышенном напряжении в сети G и номинальной нагрузке Ъ.
Повышение (понижение) напряжения в сети приводит к повышению (понижению) напряжения у потребителей и увеличению (уменьшению) генерируемой конденсаторами реактивной мощности в единицу времени, так как энергия конденсаторов Wc = % Си2.
Посредством Р-ТРНЕ на входе ТП регулируется индуктивное сопротивление и падение напряжения на нем. В зависимости от величины положительных и отрицательных отклонений напряжения на входе подстанции необходимо индивидуально выбирать сопротивление основного и дополнительного реакторов. Это способствует достижению высокого качества напряжения на нагрузке.
Следует обратить внимание, что реактивная мощность конденсаторов зависит от изменения величины питающего напряжения и на то, что в процессе стабилизации напряжения у потребителей при помощи тиристор-ного ключа регулируется проводящее состояние тиристоров и индуктивное сопротивление Р-ТРНЕ в первичной цепи СТ. Увеличение индуктивного сопротивления одновременно с увеличениями генерируемой реактивной мощностью конденсаторами выполняет принцип косвенной компенсации реактивной мощности [11].
При повышении напряжения в сети от номинального уровня на «+» Ди СИФУ увеличивает угол а для создания на индуктивном сопротивлении устройства Р-ТРНЕ напряжения с противоположным знакам «-» Ди.
Увеличение индуктивного сопротивления в цепи СТ в процессе им-пульсно-фазового регулирования переменного напряжения на реакторах нейтрализует дополнительную реактивную мощность, генерируемую конденсаторами, обеспечивая незначительное отклонение фаза тока сети от напряжения и сохраняя максимальная значения cosф. Это одно из замечательных свойств предложенного устройства.
Выключение силового трансформатора СТ подстанции без возникновения электрической дуги и коммутационных перенапряжений производят следующим образом.
Перед выключением силового трансформатора сначала снимают импульсы с дополнительных тиристорных ключей VS2. Затем основные тиристорные ключи VS1 переводят в полностью открытое состояние и обнуляют ток через контакты трехфазного контактора АС и основного реактора L1. После этого трехфазным контактором АС отключают обесточенный основной реактор L1 без возникновения электрической дуги и перенапряжений. На завершающей операции способа снимают управляющие импульсы с основных тиристорных ключей VS1 с естественной коммутацией, и они выключаются без коммутационных потерь при переходе фазных токов через ноль.
Математическое моделирование трансформаторной подстанции с реакторно-тиристорным устройством. Для исследования регулировочных свойств и энергетических показатели подстанции по схеме Р-ТРНЕ-СТ и физических процессов в статических и динамических режимах разработан программный комплекс, в среде МайаЬ [8]. Модель подстанции построена для схемы рис.1. б, и приведена на рис. 2. Она содержит следующие блоки и модули. Три однофазных источника, образующих трехфазную
сеть (иа, ЦЬ, ис), линию электропередачи PL, блок входного высоковольтного выключателя HVS, конденсаторную батарею С, блок контактора АС, модули основных VS-1 и дополнительных VS-2 тиристорных ключей с системой импульсно-фазового управления PPCS-1 и PPCS-2, основной L1 и дополнительный L2 реакторы, силовой трансформатор РТ, активно-индуктивную нагрузку RL и другие вспомогательные элементы.
Discrete, Ts=5e'05 s Powergul
c ъ a
4I-C
C B A
J J a
c ъ a
HVS
C B A
T_
A
B
C
AC
A a
B HVS ъ Cc
A a
B ъ
C c
PL
ABC ABC ¡
PPCS-1 PPCS-2
N Pulse- 1 N Pulse- 2
-I-fez T T
Ja a в C Л A B C
^ VS-2 ^ VS-1
'o
^ a Ъ c íj a Ъ c
Timer
1 т т т \ т т т
Импульс на Qs-1 Импульс на Qs-2
Рис. 2. Блочно-модульная математическая модель трансформаторной подстанции с двухподдиапазонным регулирующим устройством
На рис. 3 показаны развернутые схемы укрупнённых модулей и блоков, которые имеют частные дифференциальные уравнения и при их стыковке по электротехническим принципам образуют общую систему дифференциальных уравнений исследуемого объекта.
A CD
в С?Э с С3Э
g та е=.
ад' т
Г
С2Э
ga«p
ь CD
Я
VS1-6
h
ы
о
Pulse
Рис. 3. Развернутые схемы моделей программного комплекса: а - тиристорного ключа; б - системы управления; в - высоковольтного выключателя и контактора (см. также с. 348)
3
5
4
2
Synchronized 6-Pulse Generator
б
Timer- ABC
В
О
с
о-
Breaker-1
- -► Breaker-2 c У
2
Breaker-3
с 1^2
а
■Ф
b
CD
CD
в
Рис. 3. Окончание
Результаты исследований трансформаторной подстанции с пускорегулирующим реакторно-тиристорным регулятором. При моделирование проводились следующие исследования физических процессов подстанции по схем Р-ТРНЕ- СТ.
1. Исследование напряжений на входе СТ и у потребителей при отклонениях напряжений в верхнем и нижнем поддиопозонах регулирования.
2. Исследование напряжений на Р-ТРНЕ на входе СТ по отношению к сети. Осциллограммы этих исследований приведены на рис. 4.
3. Исследование формы тока сети и на входе СТ в реакторе и через тиристоры в процессе стабилизации напряжения у потребителя при работе от двухподдиапазонного Р-ТРНЕ.
Рассмотрим результаты численных экспериментов ТП в среде MatLab по схеме Р-ТРНЕ. На рис. 4 приведены осциллограммы напряжений на элементах ТП по схеме Р-ТРНЕ. Они получены при номинальной нагрузке и отклонениях напряжения в сети на ±5% от номинального уровня и показаны для одной фазы. Следует отметить, что при смещении регулирования от середины в ту или другую сторону форма напряжения улучшается и стремится к синусоидальной.
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
-1000 -2000 -3000 -4000 -5000 -6000
1 ифс в;ифст,в;ифртк/в
1 ч
"V___'
,2 ^^
- -
0.005 0.01 0.015 0 02 0.025 0.0. а
г, с
6000 ифс, в; ифс1>в;ифр-пс,в
4000 3000 1 ^—
1000 0 -1000 -2000 -3000
N у 1— г --—
N^2
-5000 -6000
б
Рис. 4. Осциллограммы падение напряжения в сети, трансформаторе и на устройства при верхнем (а) и нижнем (б) поддиапазонах
регулирования напряжения: 1, 2 и 3 - фазные напряжения в сети, на входе СТ и на Р-ТРНЕ
В устройстве применено узкодиапазонное импульсно-фазовая регулирования переменного напряжения при параллельном соединении реактора и тиристорного ключа [9]. Это устройство в трехфазном исполнении включено в цепь первичной обмотки СТ, соединенной в звезду без нулевого провода. Такое включение создает межфазное взаимодействие напряжения [10], в результате которого частота модуляции напряжения увеличивается в число фаз (т= 3) раз по отношению к частоте переключения фазных тиристорных ключей (рис.4).
При увеличении напряжения в сети на величину отклонения «+» Ди устройство, увеличивая угол управления а, уменьшает проводящие состояние тиристоров и, увеличивая индуктивное сопротивление на высокой стороне ТП, создает на нем падение напряжения «-» Ди, сохраняя требуемое напряжения у потребителей.
Таким образом в процессе стабилизации напряжения на нагрузки регулируется XL реакторно-тиристорного устройства, обеспечивая принцип косвенной компенсации реактивной мощности [11].
Осциллограммы рис. 5 иллюстрируют регулирование напряжения в верхнем и нижнем поддиапазонах.
Анализируя эти осциллограммы, видно, что форма тока сети искажается незначительно, а его фаза совпадает с напряжением сети, что обусловливает высокую эффективность потребления электроэнергии трансформаторной подстанцией.
1000
Цфс, в; ифст<в;(1ф<:; 1фк;Тфст)х ю.
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0 03 О 035 0 04 0.045 О 05
а
ифс, в; ифст,в; ОФ<1фк; 1фсг> ю, а
0.005 0.01 0.015 0 02 0.025 О.ОЗ 0 035 0 04 0045 О 05
б
Рис. 5. Осциллограммы токов и напряжения в верхнем (а) и нижнем (б) поддиапазонах регулирования напряжения: 1, 2 - фазные напряжения сети и на входе СТ; 3, 4 и 5 - фазные токи сети, конденсатора
и на входе СТ
Исследованиями Р-ТРНЕ установлено, что регулирование напряжения на высокой стороне ТП не оказывает отрицательного влияния на форму тока сети. Результаты этого исследования иллюстрируют следующие рисунки.
Осциллограммы рис. 6, б, иллюстрирует работы СТ при его номинальном режиме и характеризует, что при номинальной работе СТ токи сети, дополнительного реактора и основного тиристорного ключа равны. Из осциллограммы (рис. 6, а и в) видно, что токи тиристоров и реакторов искажаются, а их сумма, являясь током сети и током силового трансформатора, сохраняет синусоидальную форму при любых углах управления. Это ещё одно замечательное свойство устройства, которое в процессе регулирования не создаёт дополнительных потерь в силовом трансформаторе и в сети [12].
Рис. 6. Осциллограммы токов при разных углах управления тиристорами 1с и 1р - фазные токи сети и дополнительный реактор; 1т - фазный ток основного тиристорного ключа (см. также с. 351)
350
300 200 100 о -100 -200 -300
0.005 0.01 0.015 0.02 0,025 0,03 0.035
в)
Рис. 6. Окончание
Выводы. Исследованиями на математической модели динамических и квазистационарных процессов двухподдиапазонного реакторно-тиристорного регулятора переменного напряжения с естественной коммутацией в составе трансформаторной подстанции установлено следующее.
1. При отклонениях напряжения в сети на ± 10% от номинального устройство поддерживает напряжение у потребителей на заданном уровне с точностью не более ± 1%.
2. Устройство совместно с конденсаторной батареей одновременно со стабилизацией напряжения на выходе трансформаторной подстанции обеспечивает стабилизацию генерируемой реактивной мощности на входе подстанции.
3. В процессе непрерывного регулирования напряжения на входе подстанции под нагрузкой реакторно-тиристорный регулятор переменного напряжения с естественной коммутацией не создает искажений тока в силовом трансформаторе и в сети.
4. При применении специального управления, учитывающего электромагнитные процессы, устройство производит безударное включение силового трансформатора под нагрузкой без превышения фазными токами их установившихся значений и выключение без возникновения электрической дуги на контактах высоковольтных коммутационных аппаратов.
Список литературы
1. Климаш В.С., Табаров Б.Д. Принципы построения пускорегули-рующего устройства для трансформаторных подстанций // Омский научный вестник. Серия «Электротехника». 2017. № 5 (155). С. 55-60.
2. Panfilov D.I., ELGebaly A.E. Modified Thyristor Controlled Reactors for Static VAR Compensators // 2016 IEEE 6th International Conference on Power and Energy (PECON 2016), Melaka, Malaysia, November 2016.
3. Якимов И.А., Николаев А.А., Барабаш Р.О., Анохин В.В. Исследование работы тиристорного регулятора напряжения печного трансформатора в режиме стабилизации первичного тока дуговой сталеплавильной печи // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2016. Т.3. №4. С. 3-10.
4. Гетопанов А.Ю., Табаров Б.Д., Климаш В.С. Исследование регулировочных свойств и влияния на сеть реакторно-тиристорного устройства на высокой стороне печного трансформатора // Журнал электротехнические системы и комплексы. Серия «Электротехника». 2018. №2 (39). С. 4956.
5. Патент 2667481 РФ. Устройство для включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции // В.С. Климаш, Б.Д. Табаров. Опубл. 20.09.2018. Бюл. № 26.
6. Патент 2667095 РФ. Способ управления пускорегулирующим устройством силового трансформатора // В.С. Климаш, Б.Д. Табаров. Опубл. 14.09.2018. Бюл. № 26.
7. Климаш В.С., Табаров Б.Д. Исследования трансформаторной подстанции с пускорегулирующим устройством в аварийных режимах работы // III Поволжской научно-практической конференции. Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве. Секция 2. Электроэнергетика, электротехника и автоматизированный электропривод в ТЭК и ЖКХ. Казань, 2017. С. 118-123.
8. Климаш В.С., Табаров Б.Д. Программный комплекс математических моделей магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства для силового трансформатора в среде MatLab // Свидетельство о государственный регистрации программа для ЭВМ № 2017613852, 2017.
9. Жарский Б.К., Голубев В.В. Импульсное регулирование переменного напряжения // Институт электромеханики АН УССР. Киев, 1975.
10. Климаш В.С. Вольтодобавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсным и фазовым регулированием // Монография. Владивосток: Дальнаука, 2002. 141 с.
11. Солодуха Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для её компенсации // Информэлектро. М., 1981.
12. Климаш В.С., Табаров Б.Д. Исследование входного тока трансформаторной подстанции при работе от магнитно-тиристорного пускоре-гулирующего устройства. Международный центр научного сотрудничества «Наука и просвещение». IX Международной научно- практической конференции «World Science: Problems and Innovations». Пенза, 2017. С. 167170.
Климаш Владимир Степанович, д-р техн. наук, профессор, klimash@yandex. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Табаров Бехруз Довудходжаевич, аспирант, behruz. tabarov@mail. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет
REACTOR-THYRISTOR REGULATING AND COMPENSA TING DEVICE FOR TRANSFORMER SUBSTATIONS OF POWER SUPPLY SYSTEMS
V.S. Klimash, B.D. Tabarov
It is proposed to build the device on the principle of indirect compensation of reactive power of the network with simultaneous voltage stabilization at consumers. The device contains parallel connected to the network cosine capacitors and series included in the highvoltage circuit of the transformer substation two-band reactor-thyristor unit of a parallel connected reactor and thyristor AC voltage regulator. In addition to this function, the reac-tor-thyristor unit provides shock-free switching of the power transformer without current surges and voltage subsidence, as well as its shutdown without the appearance of an electric arc between the contacts of the high-voltage switch.
Key words:three-phase network, capacitor bank, transformer substation, reactor-thyristor regulator, management operations, mathematical model.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, klimash@yandex.ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur,Komsomolsk-on-Amur State University,
Tabarov Bekhruz Dovudkhodzhaevich, postgraduate, behruz. tabarov@mail. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University
