CC BY
66Энергетика. Автоматика
УДК 621.316
Л.А. Мясоедова, Ю.В. Мясоедов, Н.А. Намаконова, Г.Е. Музыченко
ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
В статье рассматриваются современные устройства для оптимизации потоков реактивной мощности и уровней напряжения в узлах, эффекты от внедрения данных устройств. Показаны возможности и целесообразность их применения в электроэнергетической системе Амурской области.
Ключевые слова: управляемый шунтирующий реактор, СТАТКОМ, фа-зоповоротное устройство, реактивная мощность, напряжение.
TECHNICAL ANALYSIS OF COMPENSATOR DEVICES AND DETERMINATION OF THE FIELD OF THEIR APPLICATION FOR CONTROL REACTIVW POWER FLOWS
The article considers modern devices for optimizing reactive power flows and voltage levels in nodes. Possibilities of their application in the power system of the Far East.
Key words: controlled shunt reactor, STATCOM, phase-reversing device, reactive power, voltage.
Регулирование уровней напряжения и потоков реактивной мощности как в магистральных, так и в распределительных сетях представляет собой одну из основных задач современности, так как эти два параметра режима приводят к экономии электроэнергии и энергоресурсов. Поддержание оптимальных уровней напряжения на шинах подстанций и электростанций обеспечивает снижение потерь активной мощности в электрических сетях и тем самым повышает энергоэффективность функционирования электроэнергетической системы (ЭЭС). Режим напряжения электроэнергетической системы во многом определяет надежность работы ЭЭС и ее объектов. Анализ современной ситуации по рассматриваемой проблеме показал, что в настоящее время режимы работы электроэнергетической системы не оптимальны. Уровень относительных потерь электроэнергии в ЭЭС по стране в целом превышает величину потерь в развитых странах в 2-2,5 раза [1]. Для выявления наиболее эффективных компенсирующих устройств, которые оказывают больший эффект на энергоэффективность электрических сетей путем регулирования напряжения и потоков реактивной мощности, необходимо провести их технический анализ.
Традиционными источниками реактивной мощности, за счет которых осуществляются компенсация избытков реактивной мощности в районах с высокими уровнями напряжения или, наоборот, генерация дополнительной реактивной мощности в районах с низкими напряжениями, являются синхронные компенсаторы, шунтирующие реакторы и батареи статических конденсаторов (БСК). В
электрических сетях различного уровня напряжения для перераспределения перетоков реактивной мощности используются также устройства РПН трансформаторов и автотрансформаторов. Наиболее широкое распространение в электрических сетях высокого напряжения получили шунтирующие реакторы. Они достаточно надежны и просты в эксплуатации. Их основной недостаток - отсутствие возможности регулировать мощность, что приводит к неоптимальным режимам, а в ряде случаев - к снижению надежности транспорта электроэнергии. При минимальных потерях у батарей статических конденсаторов отмечаются определенные недостатки, которые, в первую очередь, заключаются в отсутствии регулирования либо в ступенчатом регулировании, необходимости частых коммутаций и, как следствие, значительных скачках напряжения. Использование батарей статических конденсаторов получило распространение, потому что они относительно недороги, легко и быстро устанавливаются. Применение БСК имеет и другие преимущества: повышение напряжения на нагрузке, лучшая стабильность напряжения, снижение потерь электроэнергии и сокращение или перенос на более поздний срок инвестиций в систему электропередачи. Основным недостатком БСК является то, что их реактивная мощность пропорциональна квадрату напряжения, и, следовательно, когда напряжение низкое и система наиболее нуждается в реактивной мощности, конденсаторные батареи оказываются наименее эффективными. Кроме того, наблюдается сокращение срока службы или выход из строя БСК при низком качестве электроэнергии.
Сейчас все чаще для решения данной задачи применяют инновационное оборудование FACTS. Это оборудование способно гибко менять характеристики передачи или преобразования электроэнергии с целью оптимизации режимов сети сразу по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технических потерь, устойчивость, перераспределение потоков мощности и качество электроэнергии [2]. По принципу действия данные устройства делятся на статические и электромашинные. К статическим устройствам относятся: управляемые шунтирующие реакторы (УШР); статические компенсаторы реактивной мощности, выполненные на базе преобразователей напряжения на современных мощных транзисторах (СТАТКОМ); управляемые устройства продольной компенсации (УУПК); фазоповоротные устройства (ФПУ). К электромашинным устройствам относятся синхронные компенсаторы (СК) и асинхронизированные статические компенсаторы (АСК)
В табл. 1 приведена область влияния перечисленных устройств на параметры режима в узлах и на характеристики электроэнергетической системы. Здесь плюсом отмечено наличие влияния, а минусом - его отсутствие.
Таблица 1
Область влияния компенсирующих устройств (КУ) на ЭЭС
Наименование КУ Характе мистики электрической сети и па раметры режима в узлах, на которые влияет КУ
Напряжение Переток активной мощности Переток реактивной мощности Качество электрической энергии Статическая устойчивость Динамическая устойчивость Потери мощности Возможность автоматического регулирования
УШР + - + - + - + +
СТАТКОМ + - + + + + + +
ФПУ + + + - + + + +
УУПК + + + - - - + -
СТК + - + - - - + +
ШР + - + - + - + -
Регулируемые БСК + - + - - - + +
СК + - + - + + + +
АСК + - + - + + + +
Анализ данных, приведенных в табл. 1, позволил выделить те устройства, которые целесообразно применять в первую очередь для оптимизации потоков реактивной мощности и уровней напряжения при транспорте электроэнергии - УШР, СТАТКОМ и ФПУ. Они относятся к устройствам, позволяющим комплексно решать несколько задач при функционировании ЭЭС. Приведем их краткую характеристику.
УШР представляет собой статическое устройство шунтирующего типа с плавно регулируемым индуктивным сопротивлением путем подмагничивания ферромагнитных элементов магнитной цепи. Магнитная система одной фазы УШР содержит два стержня. На каждом размещены обмотки управления и сетевые обмотки. При подключении к обмоткам управления регулируемого источника постоянного тока происходит нарастание потока подмагничивания, что вызывает насыщение стержней УШР в соответствующие полупериоды напряжения. Насыщение стержней приводит к возрастанию тока в сетевой обмотке за счет уменьшения индуктивного сопротивления реактора. Это обеспечивает плавное изменение уровней напряжения, но возникают дополнительные потери мощности [3].
УШР предназначен для автоматического управления потоками реактивной мощности и стабилизации уровней напряжения. Он обеспечивает снижение суточных и сезонных колебаний напряжения в электрической сети до допустимых пределов, оптимизацию режимов работы электрической сети, в результате - снижение потерь электроэнергии при ее транспортировке и распределении. По сравнению с нерегулируемыми устройствами компенсации реактивной мощности УШР в десятки раз улучшает условия эксплуатации электротехнического оборудования за счет резкого сокращения числа коммутаций и ограничения использования менее надежных устройств РПН трансформаторов и автотрансформаторов, позволяет увеличить пропускную способность линий электропередачи и обеспечить надежное автоматическое управление уровнями напряжения при перетоках мощности, близких к предельным по статической устойчивости. В результате исключается эффект «лавины напряжения» при возникновении аварийных ситуаций в электрической сети (например, аварийное отключение нагрузки, генератора, линии электропередачи и др.). Улучшаются условия для работы генераторов электростанций в таком диапазоне генерации реактивной мощности, который способствует наиболее благоприятным эксплуатационным режимам. С помощью УШР поддерживаются запасы по напряжению и мощности в режимах с большими перетоками реактивной мощности.
Основными характеристиками УШР являются: мощность управления, составляющая 1-3% номинальной мощности, время набора полной мощности с предварительным подмагничиванием, не превышающее 0,02 с, полностью автоматический режим эксплуатации, высокий уровень надежности.
На основе сравнения УШР с аналогичными устройствами, предназначенными для решения рассматриваемых задач, можно выделить следующие преимущества: использование маломощных вентильных устройств с меньшими потерями; отсутствие необходимости в водяном охлаждении; относительно низкая стоимость (до 2,5 раз ниже аналогичных систем компенсации).
Главный недостаток УШР - ограниченная область применения: УШР эффективен там, где большая величина реактивной мощности емкостного характера, т.е. в электрических сетях с высоким уровнем напряжения и в длинных линиях. При использовании УШР в электрических сетях с низким уровнем напряжения и в коротких линиях явного эффекта не выявлено.
Синхронный компенсатор является электромашинным устройством, предназначенным для генерации реактивной мощности. Его отличительная особенность - способность плавного автоматического регулирования величины реактивной мощности за счет изменения тока возбуждения при снижении напряжения в электрической сети. К недостаткам можно отнести отрицательный регулирующий эффект, приводящий к повышению уровня потерь, низкую скорость регулирования реактивной мощности и относительно высокую стоимость. Анализ показал, что синхронные компенсаторы, традиционно применяемые в электрических сетях, неконкурентоспособны, и поэтому далее они не рассматриваются.
СТАТКОМ представляет устройство на базе статического преобразователя, работающее в качестве статического компенсатора реактивной мощности, чей емкостный или индуктивный выходной ток может изменяться независимо от переменного напряжения сети. В СТАТКОМ из напряжения источника постоянного тока за счет широтно-импульсной модуляции и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц±3 Гц. В электроэнергетической системе используется трехуровневая схема преобразователя. Три уровня напряжения (ноль, половина и полное) позволяют задать двухступенчатую основу синусоиды, что приводит к снижению мощности фильтров. СТАТКОМ генерирует реактивную мощность и емкостного, и индуктивного характера. Основной задачей устройства является регулирование напряжения сети за счет регулирования реактивной мощности в точке подключения. Другая задача - повышение качества электрической энергии. СТАТКОМ эффективно выполняет свои функции не только в нормальных, но и в аварийных и после-аварийных режимах электроэнергетической системы [4]. Работа в аварийных режимах сети накладывает на него высокие требования по быстродействию. СТАТКОМ, в отличие от других устройств, может применяться для решения следующих актуальных задач эксплуатации:
симметрирование нагрузки путем потребления активной мощности из одной фазы и выдачи ее в другую;
демпфирование колебаний в электроэнергетической системе, поскольку СТАТКОМ обладает высоким быстродействием;
активная фильтрация напряжения, что объясняется возможностью формирования напряжения не только гармонической, но и полигармонической формы, требуемой для компенсации соответствующих высших гармоник и интергармоник в сети;
возможность гибкого управления напряжением системным оператором;
сглаживание графиков нагрузок при наличии накопителя энергии большой емкости на стороне выпрямленного напряжения.
Кроме того, он решает и задачи, характерные для всех устройств данного типа - такие как стабилизация и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности.
Технический анализ позволил выявить наиболее важные преимущества данного устройства для задач управления реактивной мощностью и напряжением. К ним можно отнести минимальное воздействие на питающую сеть при пуске и гибкий диапазон регулирования реактивной мощности как в емкостном, так и в индуктивном диапазоне. Быстродействие СТАТКОМ выгодно отличает его от других устройств, поскольку позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности для рез-копеременной нагрузки и снижать колебания фликера. Он имеет улучшенную фильтрацию гармонических искажений, позволяющую исключать или снижать до допустимых пределов интергармоники. По сравнению с аналогами он обладает меньшими габаритами и, следовательно, занимает меньшую площадь. К важным факторам для решаемой задачи можно также отнести отсутствие зависимости генерации реактивной мощности от напряжения сети, возможность контролировать перенапряжение в режиме реального времени, что улучшает стабильность напряжения системы, поддерживать напряжения в линиях в динамических режимах, демпфировать качания мощности ЭЭС. Данное устройство обладает высокой эффективностью, однако стоимость его велика.
Принцип действия ФПУ основан на компенсации сдвига фазового угла в линии электропередачи и в общем случае состоит из двух отдельных трансформаторов - параллельного и последовательного. Первичная обмотка параллельного трансформатора выполняется по схеме «треугольник», за счет чего организуется трехфазная система напряжений, сдвинутых по отношению к фазным напряжениям источника на 90°. Вторичная обмотка может быть выполнена в виде изолированных фаз с блоком отпаек, центр которого заземлен. Фазы вторичной обмотки через выход переключателя блока отпаек соединяются с первичной обмоткой последовательного трансформатора, которая обычно выполняется по схеме «звезда» с заземленной нейтралью. Вторичная обмотка последовательного
трансформатора выполняется в виде изолированных фаз, которые включаются последовательно в рассечку соответствующих по фазе проводов линии и добавляют к вектору напряжения источника сдвинутую по фазе на 90° компоненту. Следовательно, общее напряжение на входе линии становится равным сумме вектора напряжения источника питания и вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПУ, т.е. изменяет свою фазу. В зависимости от положения переключателя блока отпаек можно изменять амплитуду и полярность вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПУ, и таким образом регулировать величину угла сдвига между векторами напряжения на входе и выходе линии в функции от режима работы линии [4].
Исходя из принципа действия и технических характеристик ФПУ, можно определить оптимальную область его применения. ФПУ целесообразно применять для улучшения управляемости и повышения надежности работы электроэнергетических систем. Применение ФПУ позволяет при наименьших затратах решать проблему «узких мест», ликвидировать перегрузку электросетевого оборудования. Угол сдвига фазы напряжения можно менять вручную либо с помощью автоматики, что позволяет улучшить противоаварийную управляемость электроэнергетических систем. Используя ФПУ, можно заметно снизить потери активной мощности и оптимизировать работу электрической сети, что является одним из главных приоритетов устройства. Путем плавного изменения угла сдвига фаз напряжения в начале и в конце линии можно обеспечить оптимальный переток активной мощности по ЛЭП, например, равный натуральной мощности. Кроме основных функций, рассмотренных выше, ФПУ позволяет производить плавку гололеда на проводах без отключения ЛЭП, путем перераспределения перетоков активной мощности в сети.
Рассмотренная характеристика управляемых КУ позволила выделить критерии для их сравнения с целью определения оптимальной области применения в электрических сетях. Эти критерии приведены табл. 2, там же показан сравнительный анализ КУ.
Таблица 2
Сравнительный анализ КУ
Наименование КУ Крите рии для сравнения КУ
Срок окупаемости, лет Снижение потерь мощности, % Стоимость, млн. руб. Диапазон регулирования мощности Виды устойчивости системы, на которые влияет КУ Обеспечение качества электроэнергии
УШР 2 - 5 1,5-3 80 100%, возможны длительные перегрузки до 130% и кратковременные перегрузки до 200% статическая устойчивость нет
СТАТКОМ 7 -10 5 100 ±100% статическая и динамическая устойчивость да
ФПУ 3-7 7 70 100%, возможны перегрузки до 140% статическая и динамическая устойчивость нет
Регулируемые БСК 1 1 2 100% не влияет нет
Техническая характеристика БСК общеизвестна, поэтому в работе не приводится. Из рассматриваемых КУ в России не производятся только ФПУ.
Проведенный сравнительный анализ по выделенным критериям позволяет определить области применения КУ: в каких электрических сетях, какой вид КУ выгодно применять. Выявлено, что УШР целесообразно использовать в длинных линиях с нормальным качеством электрической энер-
гии. На целесообразность установки СТАТКОМ длина линии не оказывает влияния. СТАТКОМ рекомендуется устанавливать в сетях с низким качеством электроэнергии. Наибольший эффект от установки ФПУ наблюдается в системообразующих сетях и контролируемых сечениях ЭЭС.
Для определения наибольшего эффекта от выбора вида управляемого КУ в конкретной ЭЭС необходимо провести ее анализ. Покажем на примере электроэнергетической системы Амурской области, как это сделать.
В состав ЭЭС Амурской области входят четыре электростанции: Зейская ГЭС, Бурейская ГЭС, Благовещенская ТЭЦ, Райчихинская ГРЭС. Характеристика воздушных линий (ВЛ) напряжением 110 - 500 кВ представлена в табл. 3.
Таблица 3
Характеристика линий электропередачи в ЭЭС Амурской области
Номинальный класс Минимальная длина Максимальная длина Суммарная длина
напряжения, кВ линии, км линии, км линии, км
500 212 265 1645,8
220 7 228 7450
110 6 117 2881,5
К особенностям электроэнергетической системы Амурской области можно отнести большую протяженность линий напряжением 500-220 кВ, что приводит к значительным перетокам реактивной мощности и, как следствие, - к высоким уровням напряжения на шинах подстанций за счет зарядных мощностей. Из приведенных выше характеристик современных КУ для решения рассматриваемой проблемы могут подойти УШР и СТАТКОМ. Но в большинстве случаев использование только УШР недостаточно, поскольку одним из крупных потребителей в ЭЭС Амурской области является тяговая нагрузка. В связи с этим в сетях 220 кВ происходит снижение качества электрической энергии в части несинусоидальности, несимметрии и колебания напряжения. Из этого следует, что совместно с УШР необходимо использовать устройства, улучшающие качество электроэнергии, поскольку УШР не решает проблему ее качества. Также существует часть линий 220 кВ, загруженных практически на 100%, а в некоторых ремонтных и послеаварийных режимах перегруженных. Для разгрузки этих линий в ряде случаев вместо строительства новых ВЛ или перевода линий на более высокий класс номинального напряжения можно использовать ФПУ. Особенно актуально это для контролируемых сечений. На линиях 110 кВ наблюдается обратная ситуация: они имеют малую протяженность, реактивную мощность индуктивного характера, высокий коэффициент реактивной мощности, что приводят к снижению напряжения на шинах подстанций. Для решения рассматриваемой проблемы целесообразно применять БСК, при наличии искажения качества электроэнергии - СТАТКОМ.
Рекомендации по выбору компенсирующих устройств для управления потоками реактивной мощности и регулирования уровней напряжения в электроэнергетической системе Амурской области сведены в табл. 4.
Таблица 4
Рекомендации по выбору КУ для управления реактивной мощностью и напряжением
в ЭЭС Амурской области
Номинальное Напряжение электриче- Сети с низким
Вид КУ напряжение ской сети, на которое вы- Длина линии, км качеством элек-
устройства, кВ годно применять КУ, кВ троэнергии
УШР 110 - 500 220 -500 От 60 -
СТАТКОМ 35 - 500 110 -220 От 20 +
ФПУ 220 - 500 500 От 80 -
БСК 6 - 110 6 - 35 До 60 -
Таким образом, характеристики современных устройств, применяемых для оптимизации потоков реактивной мощности, свидетельствуют, что наиболее эффективными из них являются УШР,
СТАТКОМ, ФПУ, управляемые БСК. Эти устройства имеют различные области применения, параметры, принципы работы, однако все они служат для регулирования уровней напряжения и оптимизации потоков реактивной мощности. На основе анализа их технических характеристик рассмотрен эффект, ожидаемый их от применения в сетях разных номинальных напряжений и протяженностей. Используя данные устройства, можно оптимизировать поток реактивной мощности и напряжение в узлах, а тем самым повысить надежность работы электроэнергетической системы, минимизировать потери активной мощности в электрических сетях и обеспечить эффективность функционирования ЭЭС.
1. Рырсалиев, А.С. Компенсация реактивной мощности в распределительных сетях с целью экономии энергоресурсов / А.С. Рырсалиев, С.М. Суеркулов // Вестник Кыргызско-Российского славянского университета. -Электрон. дан. - 2016. - № 1. - С. 137-139. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/joumal/issue/300121. — Загл. с экрана
2. Информационно-справочное издание «Новости ЭлектроТехники». Реактивная мощность в электрических сетях технологии управляемой компенсации. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh
3. Информационно-справочное издание «Новости ЭлектроТехники». Соколов С., Долгополов А. Управляемые реакторы. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2012/75/04.php
4. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электрической энергии: Руководство для практических расчетов. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.
УДК 621.315
А.О. Варыгина, Н.В. Савина
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ВЫБОРА СЕЧЕНИЙ ПРОВОДНИКОВ И ИХ АДАПТАЦИЯ
К СОВРЕМЕННЫМ УСЛОВИЯМ
В статье представлен обзор развития методов выбора сечений проводников линий электропередачи, а также дана оценка их соответствия современным условиям.
Ключевые слова: сечение проводника, ЛЭП, электросетевой комплекс, метод выбора, экономическая плотность тока, экономические токовые интервалы.
THE DEVELOPMENT OF METHODS OF CONDUCTORS CROSS-SECTION SELECTION AND THEIR ADAPTATION TO MODERN CONDITIONS
The article provides an overview of the development of methods for selecting conductor cross-sections of power transmission lines, as well as an assessment of their compliance with modern conditions.
Key words: conductor cross-section, power transmission line, electric grid complex, selection method, economic current density, economic current intervals.
Линии электропередачи (ЛЭП) представляют собой один из основных элементов электроэнергетической системы любого уровня иерархии, а сечение проводов является важнейшим параметром ЛЭП. С увеличением сечения проводов линии возрастают затраты на ее сооружение и отчисле-
