CC BY
108
ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ
УДК 621.318.435, 621.316.722
Выбор силовой части высоковольтных тиристорных регуляторов напряжения
В. Н. Крысанов,
старший научный сотрудник, доцент кафедры АИТС ВГТУ, кандидат технических наук К. С. Гамбург,
доцент кафедры АИСУ СТИ НИТУ МИСиС, кандидат педагогических наук
Статья посвящена вопросам применения тиристорного регулятора напряжения как средства повышения пропускной способности, симметрирования, генерации реактивной мощности и снижения перенапряжений в линиях электропередач высокого напряжения.
Ключевые слова: регулятор напряжения, тиристоры, оптимизация.
В настоящее время всё большую значимость приобретают задачи регулирования и стабилизации напряжения. Это происходит вследствие увеличения потребляемой мощности при недостаточном введении новых генерирующих мощностей, что приводит к значительным просадкам напряжения, не выдерживаются ГОСТы качества электроэнергии, особенно для удалённых потребителей. С другой стороны, увеличивается количество потребителей, которым необходимо высокое качество напряжения (медицинское и высокоточное оборудование и др.).
Ниже будут рассмотрены основные варианты схем силовой части тиристорного регулятора напряжения (ТРН), в которой тиристорные группы коммутируют вольтодобавочный трансформатор (ВДТ). Область применения данной схемы - новые установки регулирования напряжения в ЛЭП классом напряжения от 220 до 1150 кВ включительно. В результате реализации таких устройств возможно решение многих вопросов: поддержание оптимального уровня напряжения (по минимуму потерь от нагрева, «коронирования», протекания ёмкостных токов) в контрольных точках электрических сетей; повышение пропускной способности и динамической устойчивости ЛЭП [1, 2]; симметрирование напряжения, снижение коммутационных перенапряжений и даже регулирование реактивной мощности [3]. Таким образом, область применения таких регуляторов -решение задач на уровне энергосистем, хотя принципы работы этих устройств могут быть успешно реализованы и на трансформаторном оборудовании от 6 и до 110 кВ включительно (в том числе и «линейная» схема использования ВДТ) [4].
В тиристорном регуляторе напряжения используется плавное регулирование, а не дискретное (как в переключающих устройствах РПН с реактором серий РНО, РНТ и с резистором серий РНОА и РНТА). При выборе параметров вольтодобавочного трансформатора необходимо руководствоваться
величиной общепринятого диапазона регулирования для трансформаторов с РПН (хотя в ТРН используется плавное регулирование, а не дискретное, как в переключающих устройствах РПН серий РНО, РНТ, РНОА и РНТА). Например, для силовых трансформаторов ТРДЦН с номинальным напряжением ВВ обмотки 220, 330 и 500 кВ эта величина составляет +/-12 % (12 ступеней х 1 % или 8 ступеней х 1,5 %). Для АТ с РПН типа АОДЦТ с номинальным напря-жени ем ВВ обмотки 750 и 1150 кВ эта величина составляет +9,9 % и -12,2 % (при 20 ступенях регулирования).
С другой стороны, необходимо учитывать, что в соответствии с ГОСТ 721-77 недопустимо длительное повышение напряжение на обмотке высокого напряжения АТ (класс напряжения 1150 кВ) сверх номинального более чем на 4,3 % при нагрузке не выше номинальной. Эта цифра полностью соотносится с ограничениями, накладываемыми ГОСТ 13109-97 на диапазон регулирования тиристорного регулятора напряжения (последний, работающий на принципах двухтактной коммутации, при диапазоне ±12 % и соэ фн=0,8, имеет Ки, не превышающий 4-5 % для фазного напряжения и 2-2,8 % для линейного напряжения [5] по предельно допустимым значениям Ки (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения). Для высоковольтных сетей (35-330 кВ и выше) эта цифра составляет от 3 до 8 %.
Учитывая вышесказанное, целесообразно выбрать принцип двухзонного регулирования с диапазоном +/-12 %. Таким образом, предлагаемое тиристорное устройство должно обеспечивать регулирование напряжения в режиме «вольтодобавки» и в режиме «вольтоотбавки» (режимах добавления и вычитания определённой величины напряжения соответственно).
Рассмотрим работу тиристорного регулятора напряжения сначала в режиме «вольтодобавки» при
ЮШШЩ
его нереверсивном исполнении на примере однофазного варианта исполнения его силовой части. Такая схема содержит один двухобмоточный вольтодоба-вочный трансформатор и две группы встречно-параллельно включённых тиристоров (рис. 1). ВДТ включён в нейтраль силового трёхобмо-точного автотрансформатора АТ. Для реального АТ в начале ЛЭП входной обмоткой АТ является обмотка 2 среднего напряжения (исн). Выходной обмоткой АТ будет обмотка высокого напряжения 1 (ивн). А «низковольтная» обмотка 3 АТ используется для возбуждения вольтодобавочного трансформатора (инн). В начале каждого полупериода включается, например, тиристор У3 и на выходе регулятора устанавливается минимальное значение напряжения. Затем в соответствии с углом регулирования а производится включение тиристора Тиристор под действием приложенного к нему обратного напряжения запирается. При этом на выходе регулятора устанавливается максимальное напряжение. В следующий полупериод аналогично работает пара тиристоров У§2, Изменяя момент включения группы
можно производить плавное регулирование напряжения на выходе АТ от минимального до максимального значения. При этом а меняется от п до 0. Соответственно угол проводимости X тиристоров изменяется от 0 до п (рис. 1).
Поэтому ниже будут рассмотрены варианты тиристорного регулятора напряжения, обеспечивающие реверсирование, то есть регулирование как на понижение, так и на повышение напряжения. Это даёт возможность расширить диапазон регулирования напряжения без ухудшения формы последнего по сравнению с исходной схемой.
Вариант 1 соответствует схеме с двухсекционной обмоткой возбуждения ВДТ (рис. 2). Напряжение третичной обмотки АТ прикладывается здесь к обмоткам управления вольтодобавочного трансформатора через группы тиристоров которые осуществляют его регулирование и реверсирование. Тиристоры являются вспомогательными и служат для снятия возможных перенапряжений в обмотках ВДТ.
А
Л
Рис. 1. Однофазный вариант силовой части ТРН в нереверсивном исполнении
Схема, описанная выше, весьма проста как с точки зрения силовой части (один типовой двухобмо-точный вольтодобавочный трансформатор и две группы тиристоров), так и с точки зрения требований к схеме управления тиристорными группами. Но её существенным недостатком является невозможность реверсирования добавочной ЭДС, вводимой ВДТ (реализуется диапазон либо +12 %, либо -12 %).
Рис. 2. Однофазный реверсивный вариант силовой части ТРН (ВДТ с двухсекционной обмоткой возбуждения)
Напряжение на обмотке вольтодобавочного трансформатора в этом случае равно нулю, и это состояние сохраняется до тех пор, пока не откроется
и
ВН
0
мшшш
тиристор (продолжительность такого состояния определяется величиной угла управления а). При отпирании тиристора напряжение от обмотки 3 АТ прикладывается к обмотке 1 ВДТ, и это состояние сохраняется до конца полупериода питающего напряжения.
При регулировании в режиме понижения напряжения вольтодобавочного трансформатора 2 коммутируется группами тиристоров и Группа тиристоров и постоянно заперта. Недостатками схемы являются наличие 3-х групп тиристоров и необходимость специального ВДТ с двумя обмотками возбуждения. Причём каждая из этих обмоток в отдельности должна обеспечивать заданный диапазон регулирования, поэтому габариты и стоимость такого ВДТ получаются значительно выше, чем в исходном варианте. Отметим также, что тиристоры и VS6 работают как в режиме повышения, так и в режиме понижения напряжения, а к тиристорам VS1-VS4, могут прикладываться удвоенные перенапряжения в режиме, когда все тиристоры закрыты, а по первичной обмотке ВДТ протекает ток (так называемый «дроссельный режим»). Это обстоятельство необходимо учесть при выборе класса тиристоров VS1-VS4 (рис. 2).
Другой разновидностью этого варианта выполнения тиристорного регулятора напряжения на серийно выпускаемом трансформаторном оборудовании является использование в ТРН двух отдельных двухобмоточных вольтодобавочных трансформаторов.
В данной схеме режим «вольтодобавки» и «воль-тоотбавки» обеспечивается отдельными ВДТ 1 и ВДТ 2, каждый из которых коммутируется своей основной и дополнительной группой тиристоров. Алгоритм работы последних полностью соответствует вышеописанным. Преимуществом такого решения является «облегченный» режим работы регулировочных тиристоров и отсутствие вольтодобавочного трансформатора специального трёхобмоточного исполнения. Недостатком является наличие дополнительного вольтодобавочного трансформатора и закорачивающей группы тиристоров.
Второй вариант реверсивного тиристорного регулятора напряжения использует только один двух-обмоточный ВДТ. Полярность и величина напряжения, подаваемого на обмотки возбуждения вольтодо-бавочного трансформатора от третичной обмотки 3 АТ, изменяются с помощью тиристорных групп VS1-VS8. Дополнительная группа тиристоров VS9-VS10 служит для закорачивания обмотки воль-тодобавочного трансформатора в периоды, когда регулировочные группы тиристоров заперты (рис. 3).
В режиме повышения напряжения осуществляется двухтактная коммутация группы тиристоров, например, VS1, VS2, VS7, VS8 и закорачивающей группы тиристоров VS9, VS10. В режиме понижения напряжения работают группы тиристоров VS3-VS8 и закорачивающая группа тиристоров VS9, VS10.
Отметим, что, несмотря на использование одного вольтодобавочного трансформатора, наличие 5 тири-сторных групп снижает технико-экономические пока-
0
0
Рис. 3. Однофазный, реверсивный вариант силовой части
ТРН (ВДТ с односекционной обмоткой возбуждения и пятью группами тиристоров)
затели данного варианта, хотя тиристоры VS1-VS8 могут быть рассчитаны на вдвое меньшее напряжение, чем тиристоры VS1-VS4 варианта 1 (исходя из условий «дроссельного режима» работы ВДТ).
Другая разновидность схемы этого варианта показана на рис. 4. При регулировании на повышение напряжения открыты тиристоры VS2, VS3, замыкающие накоротко обмотку управления вольтодобавоч-ного трансформатора. При подаче управляющего импульса на тиристор VS7 под обратным напряжением Uнн запирается только тиристор VS3, и через тиристоры VS2, VS7 к обмотке управления ВДТ подаётся напряжение ^^ Эти тиристоры до конца полупериода питающего напряжения остаются открытыми. В другую половину периода питающего напряжения изменяется полярность ЭДС ВДТ, а принцип коммутации остаётся прежним. Только в этом случае работают тиристоры VS1 и VS8 и VS1 и VS4. При регулировании на понижение реверсируется напряжение, подводимое к обмотке управления ВДТ.
ЮШШЩ
время для 3-фазной схемы также достаточно четырёх однофазных выключателей). Сохраняя все регулировочные и технические характеристики исходной системы, данная схема обладает двойным, по сравнению с ней, диапазоном регулирования. К недостаткам этого варианта следует отнести сниженное быстродействие при необходимости регулирования напряжения во всём диапазоне. Другими словами, переход от регулирования на повышение напряжения к регулированию на понижение напряжения обязательно должен включать в себя этап переключения выключателей (этот этап снижает быстродействие сразу на 1-2 порядка).
Рис. 4. Однофазный, реверсивный вариант силовой части ТРН (ВДТ с односекционной обмоткой возбуждения и четырьмя группами тиристоров)
Здесь одновременно работают две группы тиристоров. Таким образом, часть тиристоров (VS1, VS2, VS3, VS5) независимо от угла регулирования проводят ток в течение всего полупериода питающего напряжения. Это является недостатком данного варианта как с точки зрения нагрузки на тиристоры, так и с точки зрения усложнения требований к системе управления тиристорным регулятором напряжения. Но эти недостатки могут быть в значительной степени компенсированы снижением количества тиристорных групп с пяти до четырёх (учитывая стоимость и габариты таких тиристорных групп для мощных высоковольтных ТРН).
Третий вариант представлен на рис. 5. Здесь реверсивность регулирования напряжения достигается применением не тиристорных групп, а выключателей (для однофазной схемы необходимо четыре однофазных выключателя В1-В4, в то же
Рис. 5. Однофазный, реверсивный вариант силовой части
ТРН (ВДТ с односекционной обмоткой возбуждения, двумя группами тиристоров и четырьмя однофазными выключателями)
В таком варианте тиристорного регулятора напряжения необходимо одновременно с переключением выключателей производить перевод схемы управления с одного алгоритма работы на другой.
Если с точки зрения требований энергосистемы нет необходимости в быстродействующем регулировании во всём диапазоне, а также нет необходимости иметь большой диапазон (только ±6,25 %), то можно реализовать подобный тиристорный регулятор напряжения на вольтодобавочном трансформаторе и тиристорных группах вдвое меньшей мощности и с регулированием напряжения практически без искажения формы последнего.
На основании вышеизложенного был проведён выбор оптимального варианта схемы тиристорного регулятора напряжения с учётом следующих критериев:
- стоимость оборудования ТРН;
- габариты оборудования ТРН;
- возможность использования серийно выпускаемого трансформаторного оборудования;
- диапазон регулирования напряжения;
- быстродействие ТРН;
- качество регулирования напряжения (с точки зрения формы выходного напряжения ТРН);
ДЛИВИЯЕРИ
- учёт особенностей режимов работы сетей ВН, где предусматривается применение ТРН.
С учётом всех этих критериев предпочтение следует отдать третьему варианту. Можно с большой вероятностью предположить, что на первом этапе освоения какой-либо ЛЭП ВН (когда она мало загружена) будет необходимость регулирования в основном в сторону снижения напряжения (обычно это осуществляется подключением реакторов, но при этом напряжение на ЛЭП меняется с большой дискретностью). Когда же линия нормально загружена, или даже перегружена, появляется необходимость регулирования напряжения, в основном, в сторону повышения. Тут необходимо отметить, что реальная схема всего оборудования тиристорного регулятора напряжения должна, как минимум, включать разъединители (а с точки зрения защиты ТРН от токов короткого замыкания - быстродействующие выключатели), обеспечивающие отключение тиристорного преобразователя от обмотки возбуждения вольтодобавочного трансформатора и от третичной обмотки АТ при аварийных режимах и для профилактических работ. Всё это позволяет с минимальными дополнительными затратами осуществить переход к окончательному варианту (например, реализацией схемы двух однофазных выключателей наряду с уже имеющимися пятью однофазными).
Такой вариант выгодно отличается:
- простотой и стоимостью (за счёт использования серийно выпускаемых трансформаторов и всего двух тиристорных групп);
- достаточным диапазоном регулирования (например, ±12,5 %);
- соответствием нормам ГОСТа по степени искажения формы выходного напряжения;
- высоким быстродействием в основных режимах работы ЛЭП СВН;
- плавностью регулирования выходного напряжения во всем диапазоне.
В заключение хотелось бы заметить, что тири-сторный регулятор напряжения такого типа является многофункциональным устройством, способным решать задачи оптимизации уровня напряжения в линиях электропередач и распределительных сетях по критерию минимума потерь энергии от нагрева, коронирования и емкостных токов; компенсации реактивной мощности в высоковольтных сетях (где всё трансформаторное оборудование выполняется с глухозаземлённой нейтралью) с помощью подмаг-ничивания силовых трансформаторов при работе тиристорного регулятора в режиме кососимметрич-ного управления; плавной пофазной компенсации несимметричных режимов электрических сетей. Всё это напрямую ведёт к снижению потерь электроэнергии и возможности не применять дорогостоящие симметрирующие и компенсирующие устройства. Более того, высокое быстродействие такого регулятора напряжения высоковольтного автотрансформатора позволит успешно использовать его для значительного снижения коммутационных перенапряжений на силовом оборудовании линии электропередачи и существенно повысит уровень энергобезопасности этого оборудования.
Optimization of high-power thyristor voltage regulators V. N. Krysanov,
Ph.D., Senior Scientist, аssociate professor of Voronezh State Technical University K. S. Hamburg,
Ph.D., associate professor of automated information management system of National University of Science and Technology «MISIS»
The article is devoted the questions of thyristor voltage regulator's application are examined as facilities of carrying capacity increasing, of voltage asymmetry reduction, indemnification of reactive power and overvoltage reduction in high voltage power transmissions lines.
Keywords: voltage regulator, thyristor, optimisation.
Литература
1. Туманов И. М., Евстигнеева Т. А. Тиристорные установки для повышения качеств электроэнергии. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 240 с.
2. Крысанов В. Н. О возможности применения тиристорного регулятора напряжения в электрических сетях класса 6-1150 кВ // Электротехнические комплексы и системы управления. - ВГТУ, 2008/2(10).
3. Крысанов В. Н. Тиристорный регулятор напряжения как средство повышения пропускной способности и снижения перенапряжений в ЛЭП // Электротехнические комплексы и системы управления. - ВГТУ, 2009/1.
4. Крысанов В. Н. Компенсация реактивной мощности ЛЭП ВН и СВН регулятором напряжения // Электротехнические комплексы и системы управления. - ВГТУ, 2008/3.
5. Крысанов В. Н. Зависимость гармонического состава напряжений высоковольтного регулятора от режимов управления // Электротехнические комплексы и системы управления. - ВГТУ, 2009/3.
