Испытания системы управления САНК на реакторах типа РУОМ, принцип работы.
Результаты сетевых испытаний и опыт эксплуатации дугогасящих реакторов, управляемых подмагничиванием
В 1996…2000 годах на Раменском электротехническом заводе «Энергия» было освоено серийное производство принципиально нового вида электротехнического оборудования – управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов серии РУОМ (реакторуправляемый однофазный масляный) для сетей с изолированной нейтралью 6 – 35 кВ [1].
В 2003 году коллективу разработчиков, включая авторов статьи, была присвоена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники за разработку и промышленное внедрение этих устройств. За прошедшее десятилетие заводом было изготовлено более 400 комплектов РУОМ, каждый из которых включает в себя систему автоматической настройки компенсации САНК [2], поставляемую Тольяттинским предприятием «Энергия-Т». Большая часть реакторов введена в эксплуатацию с участием шефинженеров этого предприятия.
В настоящей статье обобщается опыт эксплуатации дугогасящих реакторов серии РУОМ в электрических сетях России и стран СНГ, а также приводятся результаты натурных сетевых и стендовых испытаний управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов с системами управления САНК.
В минимальный комплект заводской поставки дугогасящего реактора серии РУОМ входит электромагнитная часть со встроенным в масляный бак тиристорным преобразователем и система управления САНК, обеспечивающая функционирование комплекса в автоматическом или ручном резервном режимах. При необходимости, в случае отсутствия трансформатора с выведенной нейтралью или трансформатора напряжения на секции шин, в комплект поставки может также входить фильтр присоединения (ФМЗО – фильтр масляный заземляющий нулевой последовательности) соответствующей мощности и трансформатор напряжения (НАМИ). Для сетей напряжением 6 и 10 кВ серийно выпускаются реакторы мощностью 190, 300, 480 и 840 кВАр, по специальному заказу могут быть поставлены реакторы мощностью до 1520 кВАр напряжением до 35 кВ.
Плавное регулирование тока РУОМ в широком диапазоне обеспечивается насыщением участков магнитопровода, на которых расположены секции обмотки, с помощью встроенного тиристорного преобразователя, угол открытия которого управляется регулятором САНК в соответствии с заданным текущим значением емкостного тока замыкания на землю [1, 2]. В режиме холостого хода, при отсутствии управления, амплитуда переменного потока не превышает индукции насыщения стали, и ток реактора составляет несколько процентов от номинального значения. В соответствии с принципом работы магнитного усилителя, по мере вытеснения переменного магнитного потока потоком насыщения за перегиб вебер-амперной характеристики, ток реактора возрастает до номинального, когда в режиме полупредельного насыщения участков магнитопровода в течение всего полупериода переменный поток превышает индукцию насыщения, а ток реактора практически синусоидален.
В промежуточных режимах в токе реактора присутствуют нечетные гармоники, преобладающей из которых является третья. За счет формирования в сплошном плоско-шихтованном магнитопроводе участков переменного сечения и последовательного насыщения указанных участков величина тока искажения не превышает 5% от номинального тока реактора во всем диапазоне регулирования. На рис.1 показан график распределения третьей гармоники и суммарного тока искажения в зависимости от нагрузки для реактора мощностью 480 кВАр. Максимум тока искажения не превышает в абсолютном значении трех ампер, причем этот максимум находится в практически не используемом начальном диапазоне нагрузок.
Рис 1. Нелинейныеискажения тока дугогасящего реактора РУОМ480/11^3':
1 — среднеквадратичноезначение высших гармоник токискажения;
2 — третьягармоника тока
Это означает, что опасения по поводу большой величины высших гармоник в остаточном токе однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) при использовании управляемых подмагничиванием реакторов серии РУОМ безосновательны.
Другим дискуссионным вопросом считался режим выхода РУОМ на требуемый ток компенсации в момент возникновения ОЗЗ с точки зрения быстродействия, в особенности при многократных неустойчивых дуговых замыканиях. Однако переход реактора от индуктивности ждущего режима к требуемой в режиме компенсации происходит практически безинерционно, что подтверждается осциллограммами стендовых испытаний реактора при многократных включениях (рис.2) и осциллограммами натурных сетевых испытаний РУОМ в Вологодской энергосистеме (рис.3).
Рис 2. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) реактора РУОМ480/11√3 при по
вторяющихся замыканиях на землю получены на испытательном стенде ОАО «РЭТЗ Энергия")
Рис3. Осциллограммы однофазного металлического замыкания на землю на ПС
Луговая Вологодских электрических сетей.
Сверху вниз
- напряжениенейтрали
- напряженияздоровых фазВ и С
- напряжениеповрежденной фазы А
- токоднофазного замыкания на землю
- токпредварительного подмагничивания реактора
- токкомпенсации РУОМ
На последнем рисунке приведены результаты одного из опытов однофазного замыкания на землю в ходе испытаний, проведенных 1-5 июня 2007 года в Вологодских электрических сетях на секции 10 кВ с реактором РУОМ-480 и регулятором САНК. При возникновении ОЗЗ и появлении напряжения на нейтрали требуемый ток компенсации устанавливается с первого периода, о чем свидетельствует неизменное после высокочастотной составляющей значение остаточного тока.
Несмотря на относительно неблагоприятную величину тока компенсации (23 А действующего значения при номинальном токе реактора 63 А – см. рис1), ток реактора практически синусоидален. Действующее значение остаточного тока замыкания составляет 3,7 А, в составе которого в основном преобладают высшие гармоники сети, третья гармоника в токе реактора (около 2А) и активная составляющая, определяемая токами утечки кабельной сети. Активной составляющей в токе самого реактора можно пренебречь, поскольку его потери в номинальном режиме составляют около 2%, а при токе втрое меньшем многократно ниже.
Указанное быстродействие обеспечивается дозированным подмагничиванием магнитной системы реактора от САНК через встроенный преобразователь током значением единицы ампер. При этом в ждущем режиме первый участок магнитопровода насыщен до состояния, близкого к индукции насыщения, и с появлением переменного потока в режиме ОЗЗ реактор безинерционно начинает потреблять ток, близкий к требуемому значению компенсации.
При неустойчивых дуговых замыканиях с погасанием дуги на несколько периодов магнитная система также остается насыщенной до необходимого значения как раз благодаря своей инерционности, что обеспечивает возврат к требуемому току компенсации при повторных зажиганиях дуги (рис.2).
Таким образом, предположения об инерционности и возможной неработоспособности реакторов серии РУОМ в режимах дуговых замыканий так же безосновательны, как и рассмотренные выше опасения по высшим гармоникам в токе реактора.
Следует также заметить, что в Казахстане в течение ряда лет выпускались и продолжают эксплуатироваться управляемые подмагничиванием дугогасящие реакторы аналогичной конструкции без предварительного подмагничивания в ждущем нормальном режиме. При этом они успешно выполняют свои функции в режимах ОЗЗ, в том числе при дуговых замыканиях, хотя время их выхода на требуемый ток компенсации после возникновения повреждения составляет около одной секунды. Это объясняется тем, что при устойчивом замыкании за время менее 1 сек. однофазное повреждение не успевает перейти в междуфазное. При неустойчивом замыкании в течение первых нескольких периодов состояние магнитной системы приближается к требуемому насыщению, после чего каждое новое зажигание дуги сопровождается требуемой компенсацией по указанным выше причинам.
Важным принципиальным отличием реакторов серии РУОМ от управляемых подмагничиванием реакторов других конструкций и от плунжерных реакторов является различное состояние магнитной системы и индуктивности реактора в нормальном ждущем режиме и в режиме ОЗЗ. В нормальном режиме САНК обеспечивает подмагничивание реактора стабилизированным током до величины, соответствующей существенной расстройке компенсации, когда индуктивное сопротивление обмотки реактора примерно вдвое превышает текущее емкостное сопротивление емкости сети на землю. Благодаря этому, во-первых, отсутствуют коммутационные перенапряжения, характерные для резонансно настроенных сетей, а во-вторых, оказывается возможным производить непрерывное измерение текущей емкости сети на частоте, отличной от промышленной [2].
При возникновении замыкания на землю система управления переходит из режима измерений в режим точного поддержания заданного тока компенсации, в результате чего в остаточном токе присутствуют только высшие гармоники и активная составляющая тока замыкания, сумма которых не превышает нескольких ампер. Таким образом, система управления РУОМ должна обеспечивать решение двух основных задач:
1. Максимально точное измерение текущих значений емкостей фаз сети на землю (емкостной проводимости сети) в нормальных режимах работы во всем диапазоне возможных оперативных переключений независимо от возмущающих факторов - естественного смещения нейтрали, наличия высших гармоник в сети, отклонений промышленной частоты, параллельной работы с «базовыми» дугогасящими реакторами или другими РУОМ на параллельно работающих секциях подстанции и т.д.
2. Быструю и точную настройку индуктивного сопротивления (проводимости) РУОМ в резонанс с измеренной емкостной проводимостью сети после возникновения однофазного замыкания на землю и поддержание этой настройки в течение времени, допустимого для этого режима работы на данной подстанции.
Принцип работы систем управления типа САНК подробно описан в [2]. В последней модификации САНК, серийно поставляемой на Раменский завод «Энергия», используется для измерения принцип зондирования сети через сигнальную обмотку реактора генератором переменной частоты. При каждом, регулярно повторяющемся через 15…20 секунд, измерении находится частота резонанса частично подмагниченного реактора и текущей емкости сети, после чего определяется ожидаемый емкостной ток и очередная запоминаемая уставка регулятора САНК по следующим выражениям:
, где
- ожидаемый емкостной ток при металлическом однофазном замыкании на землю;
- известная величина тока управляемого дугогасящего реактора на данной секции шин;
- известная величина тока параллельно включенного нерегулируемого базового реактора (при его отсутствии это значение равно нулю);
- номинальная промышленная частота сети (для России 50 Гц);
- найденная частота резонанса индуктивности подключенных реакторов с текущей емкостью сети на землю.
, где
- уставка по току регулятора управляемого дугогасящего реактора;
- текущее напряжение на нейтрали сети в режиме ОЗЗ;
- номинальное фазное напряжение сети, соответствующее смещению нейтрали сети при однофазном металлическом замыкании на землю.
Кроме выходов управления тиристорами и предварительного подмагничивания САНК имеет обратные связи по напряжению с обмотки НАМИ или НТМИ, соединенной в разомкнутый треугольник, и по току от встроенного в реактор трансформатора тока. Нормальный режим и режим ОЗЗ различается САНК по уставке напряжения на нейтрали (по рядка 15-20% фазного напряжения сети).
При ликвидации повреждения САНК возвращается в режим измерения с выдержкой времени, позволяющей комплексу находится в режиме компенсации при перемежающейся дуге.
С января 2007 года в Тольятти налажен серийный выпуск САНК на микропроцессорной элементной базе, что существенно повысило точность измерения и настройки, надежность, удобство настройки и эксплуатации. Практически замеренная погрешность компенсации не превышает 2%, что подтверждается испытаниями цифрового измерителя САНК на полномасштабном стенде завода «Энергия» с реактором РУОМ и на одной из подстанций Мосэнерго с реактором ЗРОМ. При этом результаты измерений на стенде сравнивались с известным значением установленной емкости, а на подстанции – с результатами опыта искусственного замыкания на землю [3].
Количество отказов и повторных вызовов по гарантийному обслуживанию САНК сведено к минимуму.
Важным моментом для эксплуатации сетей с компенсированной нейтралью является проблема обнаружения поврежденного фидера при устойчивом ОЗЗ. При полностью скомпенсированном емкостном токе существующие токовые защиты практически не работают. Использование других принципов, например высших гармоник в токе замыкания, ограничено их недостаточной эффективностью и отсутствием соответствующего оборудования. Защита с использованием активной составляющей требует дополнительного резистора либо с ячейкой на высокой стороне, либо, как это распространено в импортных плунжерных реакторах, с дополнительной обмоткой и коммутатором на низкой стороне.
Следует отметить, что при этом увеличивается остаточный ток в месте замыкания.
Указанные способы применимы и для реакторов с подмагничиванием [4], однако комплекс САНК-РУОМ имеет более простую и эффективную возможность обеспечения селективной работы простых токовых защит, имеющихся на каждом фидере сетей 6-10 кВ. Для этого достаточно в ручном или автоматическом режиме ввести кратковременную по времени (1…2 сек) и величине (10…20 А) расстройку компенсации, достаточную для срабатывания защиты, но исключающую разогрев места повреждения и переход в междуфазное замыкание.
Широкий диапазон плавного регулирования при низком содержании гармоник в токе, высокая надежность, ремонтопригодность и простота эксплуатации, а также возможность применения в любых сетях - кабельных, воздушных и смешанных, в том числе совместно с дугогасящими катушками существующих типов, выгодно отличает реакторы серии РУОМ от известных других, что подтверждается многолетним опытом их работы в электрических сетях России, Белоруссии, Казахстана, Молдовы, Монголии и других стран. Количество таких устройств в сетях 6-10 кВ Вологды, Нижневартовска, Белорусских сетей и других регионов исчисляется десятками.
В официальных отзывах эксплуатирующих организаций отмечается не менее чем двукратное снижение аварийности в режимах ОЗЗ, практически полное исключение пожаров в кабельных сетях и повреждений высоковольтных электродвигателей.
По сравнению с альтернативным оборудованием – плунжерными дугогасящими реакторами отечественного или зарубежного производства, комплекс РУОМ-САНК наряду с возможностью плавной, точной и безинерционной настройки реактора в резонанс стекущим значением емкости сети имеет три основных преимущества:
- отсутствие механического привода и движущихся частей конструкции;
- возможность выявления поврежденного фидера токовыми защитами с кратковременной расстройкой компенсации, что исключает необходимость подключения резистора на дополнительную обмотку специальным коммутатором;
- отсутствие резонансных коммутационных перенапряжений в нормальных режимах за счет поддержания существенно большей индуктивности РУОМ до возникновения однофазного замыкания на землю по сравнению с резонансной в режиме замыкания.
Габаритные размеры, монтаж и эксплуатация реакторов рассматриваемой серии практически не отличаются от обычных ступенчато регулируемых реакторов (РЗДСОМ, ЗРОМ). Проектные организации России и СНГ, в том числе институты «Энергосетьпроект», «Теплоэлектропроект», имеют необходимую информацию и применяют рассмотренное оборудование при проектировании сетей и подстанций 6-35 кВ.
Алиев Р.Г., инж., Базылев Б.И., к.т.н., Долгополов А.Г., д.т.н.,
Долгополов С.Г., инж., Соколов Ю. В., инж., Эгипти Е. В., инж.
Литература:
1. Управляемые подмагничиванием дугогасящие реакторы с автоматической компен-
сацией емкостного тока замыкания на землю для сетей 6-35 кВ. Брянцев А.М, Дол-
гополов А.Г., Евдокунин Г.А. и др. / Электричествоc2k 2000, №7.
2. Долгополов А.Г. Способыавтоматической настройки дугогасящих реакторов с
подмагничиванием / Электротехника 2003, №1.
3. Долгополов А.Г., Зудилин А.С. Измерительемкостного тока замыкания на землю
для электрических сетей напряжением , 10, 35 кВс дугогасящими реакторами в
нейтрали Энергетик №4 , 2004 г
4. Долгополов А.Г. Определениеповрежденного фидера в электрической сети -35 кВ
скомпенсацией тока замыкания на землю - Энергетик 2000, № 4
