Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях

Подождите немного. Документ загружается.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 81

сопротивление магнитному потоку согласно (2.11) уменьшается в 2÷3

раза и, согласно формуле (2.15), ток в сетевой обмотке уменьшается в

2÷3 раза. Однако, такого изменения тока недостаточно для линий элек-

тропередачи, где необходимо уменьшить ток в реакторах практически

до нуля при передаче натуральной мощности. С этой целью необходи-

мо обеспечить путь магнитному потоку с чрезвычайно малым сопро-

тивлением. Такая возможность открывается при наличии внутри об-

мотки управления стержня из электротехнической стали (см. рис.2.5).

Причем, сечение такого стержня F

ст

должно быть достаточно боль-

шим, чтобы обеспечить отсутствие его насыщения магнитным пото-

ком, сопровождаемым увеличением его магнитного сопротивления.

Поскольку магнитное сопротивление стержня во много раз

меньше, чем магнитное сопротивление в межобмоточном пространстве

при разомкнутой обмотке управления практически весь магнитный

поток располагается в стержне магнитопровода, замыкаясь по ярмам и

дополнительным стержням (рис.2.5). При этом магнитное сопротивле-

ние может быть оценено по формуле

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

СТ

⋅

. (2.21)

где - средняя длинна пути магнитного потока в магнитопроводе.

Рис.2.5. . Схема расположения обмоток компенсатора пофозного ис-

полнения и распределение магнитного потока в нем при разомкнутой

ОУ и при наличии стержня магнитопровода

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 82

Ток в сетевой обмотке реактора при отсутствии тока в его об-

мотке управления I

1.0

определяется из уравнения

FBRФNI

СТ

СТ.

μμ

00101

2 =

⋅

(2.22)

где В

– индукция в стержне,

- магнитная проницаемость стали, Ф

–

магнитный поток при разомкнутой обмотке управления. Следователь-

но, ток

2 ⋅

(2.23)

Уравнение для напряжения на СО в этом случае имеет вид

FBfNФNfU

СТф 0101

222 ⋅=⋅⋅=

ππ

(2.24)

Решая совместно уравнения (2.22) и (2.24), получаем другое

выражение для тока холостого хода реактора

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

FNf

СТ

2 ⋅⋅⋅

μπ

(2.25)

Сравнение соотношений (2.15) и (2.25) позволяет оценить от-

носительную величину тока холостого хода реактора

СТ

эф

ном.

⋅

(2.26)

Согласно рис. 2.5,

3ll

≈

, отношение 3000

≈

, отноше-

ние

≈

стэф

. При этих данных отношение

)%,,(,,II

ном..

504000500040

101

≈ . Таким образом, изменяя угол

зажигания тиристоров от

(тиристоры полностью открыты) до 2

(тиристоры заперты) можно изменить ток в сетевой обмотке от но-

минального значения до очень малого на уровне 0,5% от номинального

тока с любой необходимой скоростью, определяемой только скоростью

изменения угла зажигания тиристоров.

Необходимо отметить, что увеличение напряжения короткого

замыкания (U

к.з.

) УКРМТ до 100% по сравнению с U

к.з

. трансформато-

ров (U

к.з

=10-15%) достигается в основном за счет увеличения числа

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 83

витков сетевой обмотки N

, а также за счет увеличения зазора между

ОУ и СО, приводящего к значительному увеличению F

эф

(см. формулу

(2.14)) Например, если число витков УКРМТ такой же мощности, как и

трансформатор, увеличено вдвое для достижения U

к.з

%=100%, то со-

гласно (2.21) сечение стали стержня магнитопровода

BfN

ст

(2.27)

сердечника уменьшится вдвое по сравнению с сечением сердечника

трансформатора.

Уменьшение сечения сердечника определяет уменьшение его

диаметра

ст

(2.28)

где к

≈0,85 – коэффициент заполнения сталью площади круга с диа-

метром d

ст

. При уменьшении F

ст

вдвое диаметр сердечника уменьшает-

ся в

раз. Соответственно уменьшается диаметр ОУ и в несколько

меньшей степени диаметр СО. По этой причине при увеличении вдвое

числа витков УКРМТ по сравнению с трансформатором той же мощ-

ности объем и масса меди обмоток увеличивается не вдвое, а значи-

тельно меньше. В итоге расход активных материалов на изготовление

УКРМТ и трансформаторов той же мощности примерно такой же, что

определяет примерно одинаковую удельную стоимость УКРМТ и

трансформаторов, отнесенную к их мощности.

В однофазном УКРМТ броневого типа в режиме холостого хо-

да магнитный поток расходится в двух направлениях по ярмам (рис.

2.5). Поэтому сечение ярем могло бы быть вдвое меньше сечения

стержня, однако, при замкнутой ОУ (номинальный индуктивный ре-

жим работы УКРМТ) магнитный поток увеличивается по той причине,

что напряжение на УШРТ в обоих указанных случаях неизменно, что

определяет неизменность потокосцепления с СО. Однако, если в ре-

жиме холостого хода весь поток Ф

, замыкающийся полностью по маг-

нитопроводу, сцепляется с СО (см. рис.2.5), то в номинальном режиме

часть магнитного потока, расположенная в объеме, занятом СО, сцеп-

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 84

ляется не со всеми ее витками (см. рис. 2.6). По этой причине магнит-

ный поток при замкнутой ОУ Ф больше, чем при разомкнутой ОУ Ф

Согласно (2.12), (2.13) магнитный поток при замкнутой ОУ

FfN

FВФ

эф

эm

(2.29)

а при разомкнутой ОУ согласно (2.27)

FВФ

ст

. (2.30)

Рис.2.6. Распределение магнитного потока в УШРТ броневого типа

при замкнутой ОУ

Их отношение с учетом (2.11), (2.14) равно

аа

эф

≈=

. (2.31)

Поскольку магнитная индукция в ярмах не должна превышать

магнитную индукцию в стержне во избежание их насыщения, сечение

каждого из ярем однофазного УКРМТ броневого типа должно быть

равным

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 85

аа

BfN

аа

стя

⋅=

. (2.32)

При трехфазном исполнении УКРМТ (см. рис.2.7) сдвиг по

фазе напряжений на соседних обмотках приводит к тому, что большая

часть магнитного потока (0,57 Ф) замыкается по ярмам, соединяющим

соседние стержни магнитопровода, а меньшая его часть (0,43 Ф) – по

боковым ярмам.

314 1

Рис.2.7. Схема расположения обмоток и магнитопровода УКРМТ

трехфазного исполнения: 1 – стержень, 2 – ярмо, 3 – шунт, 4 - ОУ,

5 – СО, 6 - КО

Соответственно, сечение основных ярем (между стержнями)

равно

57,0

аа

стя

(2.33)

и сечение боковых ярем

43,0

аа

стбя

(2.34)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 86

При больших мощностях УКРМТ наружный диаметр сетевой обмотки

может оказаться слишком большим, когда ширина бака выходит за

допустимый железнодорожный габарит. В этом случае все обмотки

УКРМТ (СО, ОУ и КО) должны быть разделены на две одинаковые

части и скомпонованы вокруг двух одинаковых стержней, соединен-

ных ярмами (см. рис.2.8). При этом направление намотки обмоток

вокруг двух стержней противоположное, а их высоковольтные и зазем-

ленные концы объединены, так что обмотки оказываются включенными

встречно-параллельно. При этом магнитный поток УКРМТ циркулирует

по замкнутому магнитопроводу. Сечение его стержней и ярем определяет-

ся полным числом витков обеих половин обмоток в соответствии с (2.16)

ном

⋅⋅⋅

μπ

(2.35)

Рис.2.8. Схема магнитопровода и расположения обмоток конденса-

тора пофазного исполнения в двухстержневом варианте

Как видно, разделение обмоток приводит к увеличению числа

их витков в

раз. При этом сечение стержней (см.формулу 2.27) и

соответственно их диаметр (см.формулу 2.28) уменьшаются. Умень-

шаются и толщины обмоток а

и а

согласно формулам (2.17) в

раз, поскольку вокруг каждого стержня располагается половина витков

обмоток. В итоге масса меди обмоток изменяется незначительно по

сравнению с массой меди УКРМТ в одностержневом варианте. Шири-

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 87

на УКРМТ уменьшается из-за уменьшения внешнего диаметра обмо-

ток, но длина УКРМТ увеличивается, т.к. появляются дополнительно

обмотки вокруг второго стержня.

В двухстержневой конструкции УКРМТ (рис.2.8) не требуются

боковые ярма, поскольку магнитный поток замыкается по второму

стержню. Однако для улавливания магнитного потока рассеяния целе-

сообразно продлить ярма до краев обмоток.

Необходимо специально подчеркнуть, что ток УКРМТ можно

изменять как плавно при использовании тиристоров, так и ступенчато от

номинального при замкнутом вакуумном выключателе, коммутирующем

ОУ, до тока холостого хода I

1.0

при разомкнутом выключателе и наоборот.

В последнем случае включение выключателя сопровождается переходным

процессом установления тока в сетевой обмотке (см. рис. 2.9), связанным с

образованием апериодической составляющей тока, когда момент включе-

ния не совпадает с моментом перехода тока через нуль.

0.0

50.0 100.0 150.0 200.0

250.0

300.0 350.0

400.0

450.0

500.0 550.

224.7

-224.7

0.1

-0.1

0.5

-0.5

2.4

-2.4

9.0

-9.0

б)

в)

г)

а)

Рис.2.9. Осциллограммы напряжений и токов при коммутации ОУ

управляемого компенсатора 400 кВ, 50 Мвар вакуумным выключате-

лем: а – напряжение на компенсаторе; б – ток в сетевой обмотке

компенсатора; в – ток в линии 400 кВ; г – ток в ОУ компенсатора

Однако, при этом амплитуда тока промышленной частоты с

первого же полупериода включения выключателя такая же, как и в ус-

тановившемся режиме, что свидетельствует о безинерционности реак-

тора. Максимальное значение тока СО реактора при коммутации ОУ

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 88

выключателем равно удвоенной амплитуде установившегося режима,

когда включение происходит в момент максимума тока. Такое увели-

чение тока на время переходного процесса не опасно для реактора ни

по возникающим динамическим усилиям в обмотке ни по тепловому

режиму. Действительно, постоянная времени переходного процесса

определяется соотношением

T =

(2.36)

где L - индуктивность реактора при короткозамкнутой ОУ, r - эквива-

лентное сопротивление реактора в этом режиме.

Индуктивность реактора

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

ном

⋅

ωω

(2.37)

Активное сопротивление определяется из формулы потерь

мощности

.1 номф

фном

PrI

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=Δ=

откуда

номном

ном

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(2.38)

Следовательно, согласно (2.36)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(2.39)

0050,Q/P

≈

постоянная времени Т=200/

=0,64 с.

При

Таким образом, за время 2Т=1,25 сек апериодическая состав-

ляющая практически исчезает, что исключает возможность перегрева

обмоток реактора.

Следует отметить, что при коммутации ОУ вакуумным вы-

ключателем не требуется применение фильтров высших гармониче-

ских, поскольку при короткозамкнутой ОУ ток в первичной обмотке не

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 89

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

прерывается, а весь магнитный поток сосредоточен в межобмоточном

пространстве и не вызывает насыщения магнитопровода с соответст-

вующим искажением тока.

При разомкнутой ОУ магнитный поток сосредоточен в сер-

дечнике, но индукция в ней ограничена допустимой величиной

=1,65Тл. Поэтому и в этом случае насыщение сердечника и соответ-

ствующее искажение тока в СО исключено.

В связи с изложенным при коммутации УШР вакуумным вы-

ключателем компенсационная обмотка не нужна, что значительно уп-

рощает конструкцию реактора.

Следует отметить, что при коммутации ОУ вакуумными вы-

ключателями время отклика УКРМТ увеличивается по сравнению со

случаем коммутации тиристорными блоками, поскольку собственное

время включения вакуумных выключателей составляет около 30-40 мс.

Такое время отклика УКРМТ обеспечивает упреждающий его вывод на

режим номинального тока, поскольку собственное время срабатывания

линейного выключателя (воздушного или элегазового) значительно

больше, прежде всего, из-за значительно большего межконтактного

расстояния, из-за значительно большего напряжения между контакта-

ми и использовании дугогасящей среды.

В этом случае (двухобмоточный трансформатор, см. рис.2.10а)

УКРМТ имеет две ступени регулирования: ток холостого хода и номи-

нальный ток.

Расширить возможный диапазон изменения тока можно при

наличии компенсационной обмотки путем подключения к ней конден-

сатора (рис. 2.10б) через вакуумный выключатель ВВ2. При отключен-

ных выключателях ВВ1 и ВВ2 в сетевой обмотке УКРМТ протекает

ток холостого хода, а при включенном выключателе ВВ2 в сетевой

обмотке протекает емкостной ток, зависящий от выбранной емкости С.

Для определения параметров компенсатора с подключенным к КО

конденсатором рассмотрим соотношения, характеризующие режим его

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 90

работы при разомкнутом выключателе ВВ1 и замкнутом выключателе

ВВ2.

б)

а)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

СО

ОУ

СО

В2

В1

ОУ

Рис.2.10. Принципиальная схема управляемого компенсатора реак-

тивной мощности одностороннего действия (а) и двухстороннего

действия (б)

Согласно (2.15) индуктивное сопротивление между обмотками

ОУ и СО составляет

adf

NFf

эф

ном.

12120

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅⋅⋅⋅

≈

⋅⋅

πμπ

μπ

(2.40)

Аналогично индуктивное сопротивление между обмотками СО

и КО