Необходимость компенсирования реактивной мощности в электрических сетях и у промышленных потребителей связана с тем, что большую часть установленного оборудования составляют асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и т.п.
Реактивная составляющая такой нагрузки создаёт дополнительную нагрузку на электросети, которая: снижает их пропускную способность, увеличивает потери, вызывает отклонения уровня напряжения от номинального и снижает срок службы как сетевого, так и потребительского оборудования.
Это приводит к необходимости проведения реконструкции линий электропередач в части увеличения сечения проводов и установки более мощного оборудования, что, в свою очередь, приводит к большим затратам денежных средств. Применение устройств, компенсирующих реактивную мощность, позволяет снизить капиталовложения и обеспечить требуемое качество электроснабжения.
Принцип работы и устройство
Для того чтобы компенсировать реактивную мощность, применяют батареи статических конденсаторов (БСК), синхронные компенсаторы (СК) и шунтирующие реакторы. Но наличие в схеме постоянно включённых шунтирующих реакторов даёт возможность передавать только часть полной мощности в результате понижения напряжения до недопустимого уровня.
УШР — это электромагнитный реактор с регулируемым, при помощи систем автоматического управления, потреблением реактивной мощности, путём насыщения стального магнитопровода.
Наличие в схемах управляемых шунтирующих реакторов (УШР) позволяет значительно увеличить эффективность использования линий для передачи электроэнергии. Установка УШР на электрических линиях с большими зарядовыми мощностями даёт возможность управления режимами работы электросетей, приводя к заметному снижению величины потерь и повышая их пропускную способность. Также возможна установка на подстанциях, где УШР могут применяться в комбинации с БСК, позволяя поддерживать требуемый уровень напряжения линий электропередач при малых и больших нагрузках.
Электромагнитная часть УШР конструктивно является собой двухобмоточный трансформатор с расщеплённым магнитопроводом. Сетевая обмотка Uco подключается к питающей электросети. Вторая обмотка — управляющая (Uу) и подключается к регулируемому источнику постоянного напряжения. Сетевые и управляющие обмотки не обладают прямой электромагнитной связью и подключены параллельно навстречу друг-другу.
Переменный магнитный поток с промышленной частотой создаётся сетевой обмоткой, а управляющая обмотка создаёт постоянный намагничивающий поток, уровень которого может регулироваться. Данный поток позволяет сместить переменный магнитный поток в область, где происходит насыщение кривой намагничивания для стали. Это позволяет изменить индуктивное сопротивление реактора, и, следовательно, изменить величину тока в сетевых обмотках Uco. Но этот ток будет искажён, так как в нём будут присутствовать высшие гармоники.
УШР может работать при промежуточном режиме, который характеризуется тем, что намагничивающий поток оказывается равен переменному магнитному потоку по амплитуде. При этом время насыщенного состояния стержней магнитопровода является одинаковым и равным полупериоду синусоиды. При таком промежуточном режиме ток имеет форму синусоиды, а высшие гармоники в нём отсутствуют. При проектировании УШР учитывают промежуточный режим и стараются добиваться соответствия его номинального режима работы промежуточному режиму.
Виды УШР
Применяемые УШР можно разделить на следующие виды:
- УШРП, которые управляются постоянным током подмагничивания магнитопровода при помощи специальной управляющей обмотки.
- УШРТ, трансформаторного типа. Такие устройства состоят из двух обмоточного трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключена тиристорная группа.
- УШР, управляемые переключением отпаек.
Можно выделить на три вида реакторов типа УШРП по способу подмагничивания:
- Продольного подмагничивания.
- Поперечного подмагничивания.
- Кольцевого подмагничивания.
В УШР продольного подмагничивания управляющий постоянный магнитный поток по направлению совпадает с переменным рабочим магнитным потоком. Благодаря тому, что каждая фаза УРШ имеет два магнитопровода, которые охватываются управляющей обмоткой, исключаются чётные гармоники тока сети. За счёт параллельного подключения нескольких групп УШР, обмотки которых соединены в зигзаг достигается компенсация нечётных гармоник.
Такая конструкция УШР называется схемой Фридлендера и имеет недостаток — вольтамперные характеристики являются нелинейными, причём нелинейность увеличивается при уменьшении намагничивания. При присоединении таких УШР к шинам ПС при определённых условиях возможны явления феррорезонанса. Отметим, что такие УШР в настоящее время не выпускаются.
При поперечном способе подмагничивания постоянный магнитный поток, который является управляющим, будет направленным перпендикулярно рабочему потоку. Нечётные гармоники при таком способе подмагничивания убывают при увеличении подмагничивания, а чётные гармоники отсутствуют совсем. Недостатком такой схемы является её сложность и меньшая эффективность.
Также существуют УШР с продольно-поперечным подмагничиванием. В таких УШР на магнитопроводах имеются участки, где подмагничивание осуществляется как продольным, так и поперечным способом. В таких УШР почти исключены феррорезонансные явления и уменьшены высшие гармоники.
УШР с кольцевым подмагничиванием имеют регулировочные характеристики, которые аналогичны характеристикам УШР с продольным подмагничиванием и обладают высоким быстродействием. Недостатками данной схемы является её сложность, невозможность управления по фазам и низкий класс напряжения, по сравнению со стрежневыми реакторами.
Применяемые УШР различаются по способу конструктивного исполнения электромагнитной части. На ПС 500 кВ применяются УШР как однофазного, так и трёхфазного исполнения. Такие УШР существенно не отличаются по своей конструкции, за исключением добавления в конструкцию трёхфазного УШР дополнительного резервного трансформатора ТМП.
Применение резервного трансформатора ТМП позволяет обеспечить более быстрый набор и сброс мощности и при необходимости проводить его профилактику, не выводя в ремонт весь УШР.
Применение однофазных УШР имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести возможность держать в резерве дополнительный однофазный УШР, которым можно быстро заменить любой, вышедший из строя однофазный УШР. Также, применение однофазного УШР позволяет значительно облегчить его транспортировку за счёт снижения габаритных размеров.
К недостаткам установки однофазных УШР можно отнести необходимость выделения значительной площади для их установки и более высокую стоимость.
Описание схемы:
Каждая из фаз сетевой обмотки выполнена параллельно с входом в середину и намотана над вторичными обмотками, охватывая обе половины стержня. Концы обмоток соединены в звезду с заземлённой нейтралью. Обмотки присоединяются к секции шин ПС или к линиям электропередач.
Компенсационная обмотка имеет напряжение 10 кВ, соединена треугольником и служит для выполнения двух функций:
- Исключает кратные трём гармоники из сети.
- Необходима для обеспечения питания основного трансформатора с преобразователем, обеспечивающего намагничивание магнитопровода посредством управляющей обмотки.
Тиристоры основного и резервного ТМП управляются системой автоматического управления по специальной программе, обеспечивающей стабилизацию напряжения или поддержание уровня потребления реактивной мощности.
Заключение
УШР подтвердили свою эффективность и надёжность в результате эксплуатации в течение 15 лет в электрических сетях напряжением от 35 до 500 кВ для компенсации реактивной мощности и поддержания уровня напряжения. Внедрение этого нового вида оборудования при цифровизации отечественных электрических сетей активно продолжается.