Full Text

Введение. Существующие трансформаторные подстанции (ТП) промышленных предприятий оснащаются электрическими аппаратами с механическими контактами [1-6], которые не обеспечивают безударного включения силового трансформатора, выключения его без дуги на контактах выключателя и непрерывное регулирование напряжения на входе силового трансформатора и у потребителей электроэнергии. К недостатком также следует отнести и то, что применение на существующих трансформаторных подстанциях конденсаторных батарей (БК) [7-18] создаёт дополнительные потери в системе электроснабжения от флуктуаций фазы тока сети при отклонениях и колебаниях напряжения в сети. Устранению этих недостатков посвящена данная работа, в которой предлагаются способ и устройство включения, выключения силового трансформатора и регулирования напряжения и индуктивности на входе ТП для стабилизации напряжения у потребителей и фазы тока в сети. Цель работы - улучшение энергетический показателей электропередачи за счет расширения функциональных возможностей и регулировочных свойств ТП. Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующие задачи: 1. Математическое моделирование трансформаторной подстанции с применением реакторно-тиристорных ключей (РТК) и БК для регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности. 2. Исследование физических процессов и поиск технических решений для улучшения энергетических и регулировочных характеристик ТП. 3. Проведение численных экспериментов на математической модели с применением нового технического решения для ТП. 1. Разработка устройства. Предложенное пускорегулирующее устройство включается между сетевым высоковольтным выключателем Q1 и первичной обмоткой силового трансформатора подстанции. Предложенная схема устройства в составе ТП приведена на рис. 1. Она содержит трёхфазную сеть G, линию электропередачи W, основной высоковольтный выключатель Q1 на входе ТП, дополнительный высоковольтный выключатель Q2 в цепи БК, основные VS1 и дополнительные VS2 тиристорные ключи с системой управления CУ, которые для применения в высоковольтных цепях выполнены с дополнительными диодами, контактор AC, основной LR1 и дополнительный LR2 реакторы, силовой трансформатор СТ и активно-индуктивную нагрузку Z. Рис. 1. Функциональная схема трансформаторной подстанции с предлагаемым устройством Включение силового трансформатора СТ производят при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключах VS2. При этом сначала двумя основными тиристорными ключами VS1 через дополнительный реактор LR2 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 СT с одновременной подготовкой подстанции к регулированию напряжения, параллельно полностью открытым основным тиристорным ключам VS1 посредством трехфазного контактора AC подключают основной реактор LR1. 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 реакторно-тиристорными ключами 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 СT 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 LR1 и дополнительный LR2 реакторы в цепи первичной обмотке силового трансформатора СТ. Номинальный уровень напряжения на нагрузке обеспечивается при полностью включенных основных ключах VS1, которые шунтируют основной реактор LR1, и полностью выключенных дополнительных тиристорных ключах VS2 при номинальном напряжения сети G и номинальной нагрузке Z. Минимальный предел регулирования на нагрузке задают суммарным сопротивлением основной LR1 и дополнительный LR2 реактор при полностью закрытых основных VS1 и дополнительных VS2 тиристорных ключах при повышенном напряжении в сети G и номинальной нагрузке Z. Способ также предусматривает разделение диапазона регулирования напряжения на два поддиапазона: верхний и нижний. Верхний поддиапазон регулирования находится между максимальным пределом и номинальным уровнем, а нижний между номинальным уровнем и минимальным пределом регулирования напряжения. При работе между верхним и нижнем поддиапазонами регулирования напряжения введена зона нечувствительности на изменение проводящего состояния как основных, так и дополнительных тиристорных ключей, при которой отклонения напряжения на нагрузке как вверх, так и вниз от номинального уровня не превышают допустимых значений. Изменением проводящего состояния дополнительных тиристорных ключей VS2 производится регулирование напряжения в нижнем поддиапазоне от промежуточного (номинального) уровня до минимального предела регулирования, а изменением проводящего состояния основных тиристорных ключей VS1 производится регулирование напряжения в верхнем поддиапазоне от промежуточного (номинального) до максимального предела регулирования напряжения. Выключение силового трансформатора СT подстанции без возникновения электрической дуги и коммутационных перенапряжений производят следующим образом. Перед выключения силового трансформатора сначала снимаются 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 LR1. Затем трехфазным контактором АС отключают обесточенный основной реактор LR1 без возникновения электрической дуги и перенапряжений. На завершающей операции способа снимают управляющие импульсы с основных тиристорных ключей VS1 с естественной коммутацией, и они выключаются естественным путем без коммутационных потерь. Трансформаторные подстанции с пускорегулирующими устройствами предназначают взамен трансформаторных подстанций с механическим регулированием напряжения типа регулятор напряжения под нагрузкой (РПН). Для исследования известной и новой схемы трансформаторной подстанции разработан программный комплекс в среде MatLab [19]. 2. Результаты исследований трансформаторной подстанции с РТК и БК. Исследования физических процессов ТП в комплекте с РТК и БК выполнены на математической модели. При моделирование рассмотрены следующие процессы: 1. При питании ТП напряжениями трёх уровней: максимальном, номинальном и минимальном. Результаты этих исследований приведены на рис. 2. а б в Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжения при разных уровнях напряжения сети: максимальном (а), номинальном (б) и минимальном (в) 2. При работе ТП в верхнем и нижнем поддиапазонах регулирования напряжения. Осциллограммы этих исследований приведены на рис. 3. На осциллограммах (рис. 2 и 3) введены следующие обозначения: 1 и 2 - фазные напряжения сети и нагрузки; 3, 4 и 5 - фазные токи конденсатора, сети и нагрузки; 6, 7 и 8 - реактивные мощности трансформаторной подстанции QТП в комплекте с РТК, сети QС и конденсаторной батареи QБК. Повышение (понижение) напряжения в сети приводит к повышению (понижению) напряжения у потребителей и возрастанию (снижению) генерируемой реактивной мощности БК. Посредством РТК на входе ТП регулируются индуктивное сопротивление реакторов и падение напряжения на них. 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 тиристоров регулируется индуктивное сопротивление реакторов. При повышении (снижении) напряжения в сети происходит увеличение (уменьшение) индуктивного сопротивления реакторов, нейтрализующее изменение реактивной мощности конденсаторов и фазы тока сети. Это одно из замечательных свойств предложенного устройства. На осциллограммах (рис. 3) показано регулирование напряжения в верхнем и нижнем поддиапазонах. а б Рис. 3. Осциллограммы токов и напряжения в верхнем (а) и нижнем (б) поддиапазонах регулирования напряжения 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. Реакторно-тиристорные ключи предназначаются не только для регулирования напряжения ТП, но и для безударного включения силовых трансформаторов под нагрузкой и выключения без возникновения дуги на контактах высоковольтных выключателей [20-23]. Исследованиями РТК установлено, что регулирование напряжения на высокой стороне ТП не оказывает отрицательного влияния на форму тока сети. Результаты этого исследования проиллюстрированы на рис. 4 при следующих обозначениях: 1 и 2 - фазные токи сети и дополнительный реактор; 3 - фазный ток основного тиристорного ключа. а б Рис. 4. Осциллограммы токов при разных углах управления тиристорами Из осциллограмм (рис. 4) 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. На рис. 5 приведены осциллограммы напряжений на элементах ТП по схеме РТК-СТ. Они получены при номинальной нагрузке и отклонениях напряжения в сети на ±5 % от номинального уровня и показаны для одной фазы. Здесь цифрами 1, 2 и 3 обозначены фазные напряжения в сети, на входе СТ и на РТК. а б Рис. 5. Осциллограммы фазных напряжений при верхнем (а) и нижнем (б) поддиапазонах регулирования напряжения В выполненных численных экспериментах (см. рис. 5) рассмотрены фрагменты регулирования напряжения в середине верхнего и нижнего поддиапазонов. Отметим, что при смещении регулирования от середины в ту или другую сторону форма напряжения улучшается и стремится к синусоидальной, как показано на рис. 2. На рис. 6 приведены характеристики ТП по существующей и новой схемам. Внешние характеристики (см. рис. 6, а) - естественная 1 и искусственные 2-4 получены при фиксированных углах управления. Регулировочная характеристика (см. рис. 6, б) рассчитана при изменении углов управления тиристорами таким образом, чтобы при изменениинапряжения в сети с фиксированными токами нагрузки напряжения у потребителей оставалось постоянным. Характеристика стабилизации напряжения на нагрузки (см. рис. 6, в) реализуется в соответствии с регулировочной характеристикой. а б в Рис. 6. Характеристики трансформаторной подстанции: внешняя (а), регулировочная (б) и стабилизации (в) Областью применения предлогаемого устройства являются трансформаторные подстанции предприятий всех отраслей промышленности и агропромышленного комплекса мощностью от 0,4 до 2,5 МВ∙А с напряжениями 35/(10-6) и (10-6)/0,4 кВ, требующие регулирование напряжения в узком диапазоне 10 %. Выводы. Исследованиями на имитационных моделях динамических и квазистационарных процессов двухподдиапазонного реакторно-тиристорного регулирующего устройства в составе трансформаторной подстанции установлено следующее: 1. При отклонениях напряжения в сети на ± 10 % от номинального устройство поддерживается 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-тиристорное устройство 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.

About the authors

V. S Klimash

Komsomolsk-on-Amur State University

B. D Tabarov

Komsomolsk-on-Amur State University

References

Statistics

Views

Abstract - 16

PDF (Russian) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.