Разработка и оптимизация конструкции управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов серии РУОМ для электрических сетей 6, 10 кВ

В отечественной электроэнергетике и значительной части зарубежных энергосистем электрические сети напряжением 6^-35 кВ работают с изолированной нейтралью. Примерно 70−90% повреждений в линиях электропередач составляют однофазные замыкания на землю [28, 58, 80, 81], локализация и самоликвидация которых возможна путем компенсации возникающих при замыканиях емкостных токов. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей предписывают компенсацию емкостных токов замыкания на землю путем подключения к нейтрали ду-гогасящих реакторов. Остаточный, нескомпенсированный, ток дуги в электрических сетях 6-К35 кВ не должен превышать 10−30 А поскольку считается, что именно в пределах этих значений достигается устойчивое самогашение дуги и, в большинстве случаев, самоликвидация аварии [69, 70]. В электрических сетях других стран, например, США, допуск на остаточный ток не превышает 5ч-10 А [6, 45, 80]. В процессе эксплуатации конфигурация сети, а значит и ее емкостная проводимость на землю меняется, что требует точной и своевременной перестройки дугогасящих реакторов. Только в этом случае достигается ожидаемый эффект — снижение количества аварийных отключений сети.

В электрических сетях большинства энергосистем России и стран СНГ вопросы компенсации тока замыкания на землю должным образом не решаются. Не обеспечена полная (по установленной мощности дугогасящих устройств) компенсация емкостных токов замыкания на землю. Практически повсеместно не выполняется условие автоматической непрерывной компенсации токов замыкания на землю с необходимой для эффективного гашения дуги точностью. Если первая причина связана с общей экономической ситуацией в регионах, то вторая обусловлена отсутствием необходимых технических средств отечественного производства.

Технические данные ступенчато регулируемых реакторов в принципе не позволяют обеспечивать точную автоматическую настройку реактора на режим компенсации. Плавно регулируемые дугогасящие реакторы плунжерного типа обладают ограниченным ресурсом по количеству возможных изменений индуктивности.

Понятно, что ни о какой автоматической компенсации токов замыкания в такой ситуации не может быть речи, а реализованное техническое решение попросту не отвечает поставленной цели.

Негативные последствия неполной и неточной компенсации емкостных токов заметно возрастают по мере расширения и усложнения конфигурации электрической сети. В том числе и по этой причине, в ряде энергосистем наблюдается тенденция к попыткам перехода эксплуатации сети 6ч-35 кВ с заземленной нейтралью (глухо или через резистивное сопротивление). Однако, огромные затраты на последующее техническое перевооружение и потеря возможности, по крайней мере, трехкратного снижения количества аварийных отключений сети за счет правильно организованной компенсации емкостных токов, является достаточно серьезным аргументом в пользу совершенствования технических характеристик дугогася-щих реакторов и их дальнейшего применения без изменения режима работы нейтрали.

Исследования управляемых подмагничиванием реакторов начали проводиться еще в начале 30-х годов (Э. Фридлендер, К. Крамер, X. Бек-кер). С начала 50-х годов формируются научные коллективы в Москве (ЭНИН), Санкт-Петербурге (СПГТУ), Таллинне (ТГТУ), Кишиневе (ЕСЛИ), Алма-Ате (АЭИ) и других городах. Исследованиями управляемых реакторов и вопросами их применения занимались такие ученые как: Александров Г. Н., Брянцев А. М., Бродовой Е. Н., Долгополов А. Г., Дорожко Л. И., Евдокунин Г. А., Жакутова С. В., Забудский Е. И., Лейтес Л. В., Либкинд М. С., Лурье А. И., Мишин В. И., Славин Г. А., Сорокин В. М., Теллинен Ю. Ю., Ярвик Я. Я. и другие.

Первые попытки применения устройств такого типа можно назвать не совсем удачными. Дальнейшее их использование оказалось ограниченным и не вышло за пределы отдельных опытных партий по следующим основным причинам: повышенный расход материалов, значительное искажение формы тока высшими гармониками, длительный переходный процесс выхода на установившийся режим работы.

Ситуация принципиально изменилась, когда в начале 80-х годов были разработаны управляемые реакторы магнитно-вентильного типа [3]. В них удалось значительно снизить расход материалов, улучшить форму потребляемого тока и увеличить быстродействие.

Однако, несмотря на высокие технические характеристики реакторов магнитно-вентильного типа, расход материалов на их активную часть, снижая конкурентоспособность, оставался выше, чем у плунжерных реакторов типа РЗДПОМ. Кроме того, в основном по этой причине не существовало серийного производства управляемых реакторов с обоснованной шкалой мощностей, а технология изготовления оставалась довольно сложной.

Улучшение массогабаритных показателей и упрощение технологии изготовления дугогасящих реакторов магнитно-вентильного типа при сохранении их технических характеристик позволит расширить область внедрения и повысить их конкурентоспособность по сравнению с дугогася-щими реакторами других типов.

Целью работы является разработка конструкции серии дугогасящих реакторов с улучшенными массогабаритными показателями и упрощенной технологией изготовления, а также выработка рекомендаций по их оптимальному проектированию.

При этом в работе должны быть решены следующие задачи:

— разработать метод расчета, позволяющий проектировать стержневую зону управляемого реактора из неограниченного числа участков уменьшенного сечения стержня с заданным уровнем нелинейных искажений;

— определить оптимальное число рабочих участков стержневой зоны и соотношение их геометрических параметров, что позволит при минимальном уровне подмагничивания получить минимальный уровень нелинейных искажений;

— разработать метод определения параметров схемы замещения стержневой зоны магнитной цепи реактора для математического моделирования управляемых дугогасящих реакторов с магнитной системой в виде эквивалентной цепной схемы;

— разработать метод и определить расчетное значение индукции насыщения электротехнической стали при аппроксимации ее кривой намагничивания гиперболической функцией;

— на основе экспериментальных данных провести сравнительный анализ полученных теоретических и практических результатов.

Научная новизна работы:

— для формирования ВАХ реактора из неограниченного числа участков уменьшенного сечения стержня разработан численный метод, который позволяет проектировать реакторы с заданным уровнем нелинейных искажений потребляемого тока, глубоким диапазоном регулирования мощности и максимальной эффективностью подмагничивания;

— исследовано влияние количества рабочих участков в стержневой зоне на характер проявления нелинейных искажений тока реактора и определено их оптимальное для дугогасящих реакторов число;

— разработана методика определения параметров схемы замещения стержневой зоны реактора, позволяющая моделировать дугогасящие реакторы с магнитной системой представленной в виде эквивалентной цепной схемы замещения;

— разработана методика и определено расчетное значение индукции насыщения электротехнической стали при аппроксимации ее кривой намагничивания гиперболической функцией;

Практическая ценность работы.

1. Разработана конструкция, определены оптимальные геометрические размеры и электромагнитные характеристики серии дугогасящих реакторов напряжением 6, 10 кВ и мощностью 190, 300,480, 840, 1520 кВА.

2. Обоснована и предложена новая конструкция электромагнитной части реакторов на базе совмещенного бронестержневого магнитопровода, обладающая улучшенными массогабаритными показателями.

3. Разработана новая, более совершенная технология шихтовки маг-нитопровода реакторов магнитно-вентильного типа.

4. Разработаны теоретические основы и инженерная методика расчета веберамперной характеристики дугогасящих реакторов, сочетающая высокий диапазон регулирования мощности (более 1:10) с практически синусоидальной формой тока (ток искажений менее 5%).

Апробация и публикация работы. Основные положения работы и результаты исследований обсуждались на научно-технических семинарах, докладывались на конференциях, симпозиумах, таких как: 5-й Международный Симпозиум «Электротехника 2010», Московская область, 19−22 октября 1999 гна юбилейной научной конференции «Отечественная электромеханика на пороге XXI века». 19−20 мая 1999 г., заседание регионального Совета по диагностике силового электрооборудования, Екатеринбург (МЭС Урала), 9−10 февраля 2000 г.

По результатам выполненных исследований в научно-технических изданиях опубликовано 8 работ.

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Список литературы

содержит 84 наименования. Объем: 89 страниц текста, 44 страницы рисунков и 85 страниц приложений.

4.3. ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика определения параметров схемы замещения магнитной цепи реактора, позволяющая исследовать электромагнитные процессы в электрических сетях с управляемыми реакторами.

2. Разработана программа, которая позволяет с минимальными допущениями и высокой скоростью производить расчет тока искажений с учетом аппроксимируемой гиперболической функцией кривой намагничивания электротехнической стали. За счет этого резко возросла эффективность проектирования реакторов.

3. На основе разработанной программы произведен ряд расчетов, результатом которых явилось получение расчетного значения индукции насыщения электротехнической стали, равное 2.11 Тл. При этом значении зависимость тока искажений от потока подмагничивания, полученная с учетом аппроксимируемой гиперболической функцией кривой намагничивания стали, практически совпадает с той же зависимостью, полученной при кусочно-линейной аппроксимации.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УПРАВЛЯЕМЫХ ПОД-МАГНИЧИВАНИЕМ ДУГОГАСЯЩИХ РЕАКТОРОВ СЕРИИ РУОМ МОЩНОСТЬЮ 190, 300, 480, 840, 1520 кВА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6, 10 кВ.

5.1. Основные технические данные.

Результаты исследований, изложенные в данной работе, использованы при проектировании серии управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов. Реакторы изготавливаются серийно на ОАО «Раменский электротехнический завод «Энергия».

Реакторы предназначены для использования в электрических сетях 6 или 10 кВ с изолированной нейтралью в качестве заземляющего дугогася-щего устройства с автоматической компенсацией ёмкостного тока замыкания на землю.

Реакторы включаются между точкой заземления и выведенной нейтралью подстанционного трансформатора (рис. 5.1), а если на подстанции нет трансформатора с соединением обмоток «звезда с нейтралью», то «искусственной нейтралью» — нейтралью заземляющего фильтра нулевой последовательности или другого аналогичного заземляющего трансформатора.

Управление реактором осуществляется системой автоматической настройки САНК (рис. 5.1), которая определяет ожидаемую величину емкостного тока замыкания на землю и вырабатывает командный сигнал, поступающий в преобразователь реактора РУОМ. При возникновении замыкания на землю реактор снижает ток в месте замыкания на землю до величины, близкой к нулю. Процесс настройки полностью автоматический, и при возникновении замыканий реактор переключается в режим компенсации без участия эксплуатирующего персонала. В нормальных режимах работы сети реактор РУОМ ненасыщен, что исключает возможность резонансных перенапряжений в нейтрали.

Применение реакторов обеспечивает трехкратное снижение количества замыканий на землю и полную их локализацию в случае пробоев изоляции сети повышенным напряжением. Обеспечивается сохранность электротехнического оборудования в случаях возникновения аварийных ситуаций и увеличение его срока службы.

Основные технические данные реакторов серии РУОМ приведены в таблице 5.1.

31! 3.

С, А Н К.

ФМЗО.

РУОМ Г зк.

НАМИ.

— 220В;

РУОМ — управляемый под-магничиванием дугогасящий реактор серии РУОМ.

САНК — электронная система управления для РУОМ.

ФМЗО — фильтр присоединения реактора к сети (поставляется по требованию Заказчика).

НАМИ — антирезонансный трансформатор напряжения (поставляется по требованию Заказчика).

Рис. 5.1. Схема присоединения реакторов серии РУОМ к трехфазной электрической сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена вопросам разработки конструкции серии управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов с улучшенными массогабаритными показателями, упрощению технологии их изготовления и выработке рекомендаций по их оптимальному проектированию. Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем.

1. Разработана конструкция, определены оптимальные геометрические размеры серии управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов мощностью 190, 300, 480, 840, 1520 кВА для электрических сетей 6, 10 кВ, обладающие высокими техническими характеристиками, упрощенной технологией изготовления и улучшенными массогабаритными показателями.

2. Обоснована и предложена новая конструкция электромагнитной части серии дугогасящих реакторов на базе совмещенного броне-стержневого магнитопровода, применение которой для управляемых подмагничиванием реакторов позволяет улучшить их массо-габаритные показатели.

3. Разработана новая, более совершенная технология шихтовки магнитопровода реакторов магнитно-вентильного типа, позволяющая значительно упростить процесс изготовления и улучшить прессовку магнитопроводов.

4. Определены рекомендации по выбору расположения секций рабочей обмотки, отпаек регулировочных витков и сигнальной обмотки, позволяющие с одной стороны обеспечить высокую надежность работы реакторов, а с другой минимальные затраты и простоту технологии изготовления.

5. Разработан численный метод, позволяющий детально исследовать влияние геометрии стержневой зоны с насыщением неограниченного числа последовательных участков на характер проявления нелинейных искажений потребляемого тока реакторов магнитно-вентильного типа и представлять результаты расчета в удобном для восприятия графическом виде.

6. Впервые для дугогасящих реакторов определено оптимальное число и соотношение параметров последовательных участков, которые в дугогасящих реакторах при токе искажений не более 5%, позволяют получить уровень подмагничивания Ф0н = 1.6 (^"=127°), что по сравнению с двухступенчатым насыщением (Ф0н = 1.723, ^/"=138°) сокращает расход материалов до 10%.

7. Разработана инженерная методика расчета веберамперной характеристики дугогасящих реакторов, сочетающая высокий диапазон.

126 регулирования мощности (более 1:10) с практически синусоидальной формой тока (ток искажений менее 5%).

8. Разработан метод расчета параметров схемы замещения магнитной цепи реактора для математического моделирования дугогасящих реакторов с магнитной системой в виде эквивалентной цепной схемы.

9. Разработана методика и определено расчетное значение индукции насыщения электротехнической стали при аппроксимации ее кривой намагничивания гиперболической функцией;

10. Проведен сравнительный анализ массогабаритных показателей существующих типов дугогасящих реакторов. Показано, что разработанная серия дугогасящих реакторов по массогабаритным показателям намного превосходит реакторы с продольно-поперечным подмагничиванием и разработанные ранее реакторы магнитно-вентильного типа. По удельной массе удалось опередить реакторы плунжерного типа РЗДПОМ. Сократился и стал минимальным разрыв между реакторами со ступенчатым регулированием типа РЗДСОМ.

Настоящая работа является составной частью исследований управляемых подмагничиванием реакторов, проводимых на ОАО «Раменский электротехнический завод «Энергия». На заводе проводятся дальнейшие исследования вопросов разработки, проектирования и эксплуатации, управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов. Идет непрерывное совершенствование технических, экономических и эксплутационных характеристик дугогасящих реакторов.