УШР против реактивной мощности

17.01.14 13:01

1. Каковы особенности и преимущества УШР в сравнении с другими устройствами компенсации реактивной мощности?

 

Денис Кондратенко, заместитель технического директора ОАО «Электрические управляемые реакторы» (ОАО «ЭЛУР», г. Москва):

— Управляемые шунтирующие реакторы обладают существенным преимуществом перед другими средствами компенсации реактивной мощности. Если сравнивать в УШР с обыкновенным шунтирующим реактором, то их преимущества очевидны.

Шунтирующие реакторы (ШР) традиционно используются на линиях 500 кВ, а их мощность и количество определяется зарядной мощностью линии, которую необходимо компенсировать, при этом ШР необходимы, прежде всего, в режимах малой передаваемой по линиям мощности или на холостом ходу этих линий.

По мере загрузки линий дополнительной активной мощностью, вырабатываемая зарядная (реактивная) мощность все больше потребляется индуктивным сопротивлением линии, при этом необходимость в установленной мощности ШР снижается.

Излишнее потребление реактивной мощности может приводить к снижению напряжения в точке подключения реактора ниже целесообразного уровня на данном объекте по режимам, что в свою очередь приводит к снижению пропускной способности линии, а так же к снижению предела статической устойчивости электропередачи. Эти недостатки от установки шунтирующего реактора можно устранить за счет применения управляемого ШР, который автоматически подстраивается под требуемый (задаваемый диспетчером) уровень напряжения на объекте.

Стоит отметить, что УШР особенно эффективен при установке на длинных линиях электропередачи, режимы работы которых обусловлены реверсивными перетоками активной мощности и резко переменным графиком нагрузки. Кроме того, весьма существенно, что оптимальное регулирование уровней напряжения с помощью УШР значительно снижает потери при передаче электрической энергии.

Что касается сетей 110 кВ и ниже, то в большинстве случаев потери реактивной мощности в линии сопоставимы или преобладают над зарядной мощностью, поэтому для соблюдения баланса реактивной мощности необходима емкостная компенсация.

Увеличение длины линии зачастую приводит к существенному дефициту реактивной мощности и, как следствие, значительному снижению напряжения на подстанциях транзита по мере удаления от источника питания. Особенно остро вопрос компенсации реактивной мощности стоит в развитых сетях нефтяной отрасли, когда месторождения находятся в труднодоступных местах и разбросаны друг относительно друга на значительные расстояния.

 

Д.Кондратенко

 

В ряде случаев невозможность подключения новой двигательной нагрузки связана с исчерпанной пропускной способностью линий, значительным уменьшением уровней напряжения относительно номинальных. Вариантом выхода из описанной ситуации может служить как строительство новых линий, в том числе «закольцовывание» сети, точечное применение дизельных/газотурбинных станций, так и установка управляемых реакторов в сочетании с батареями статических конденсаторов (БСК). Стоит отметить, что применение УШР совместно с БСК часто выглядит предпочтительнее ввиду существенно меньших экономических затрат.

Частичная альтернатива УШР — статические тиристорные компенсаторы (СТК), в задачи которых также входит регулирование напряжения. Однако невозможность подключения этого устройства напрямую в сеть 110 кВ и выше (требуется повышающий трансформатор) значительно сужает диапазон использования СТК.

Кроме того, в эксплуатации СТК более капризен, нежели УШР, это обусловлено тем, что система управления СТК основана на применении тиристорного блока, который рассчитан на полную мощность СТК. В связи с этим требуется размещение блока в закрытом отапливаемом помещении, а также создание целого комплекса мероприятий по организации охлаждения преобразовательного блока.

В настоящее время специалистами НТЦ ФСК ЕЭС активно разрабатывается технология СТАТКОМ, однако в задачи данного устройства входит не только регулирование перетоков реактивной мощности, но и активной, поэтому сравнивать устройства СТАТКОМ и УШР, на наш взгляд, нецелесообразно. Также следует отметить, что устройство СТАТКОМ в разы дороже УШР. 

 

Анатолий Антонов, главный инженер Центра разработки высоковольтной техники ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (г. Москва):

— Известно, что линии электропередачи напряжением 110–500 кВ имеют значительные емкости фаз по отношению к земле. Для повышения передаваемой по линии активной мощности необходимо эти емкости скомпенсировать. Наиболее эффективными устройствами компенсации являются управляемые шунтирующие реакторы.

Управляемые шунтирующие реакторы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими устройствами компенсации реактивной мощности, например статистическими тиристорными компенсаторами, а именно:

— Возможность непосредственного подключения к ЛЭП без промежуточных трансформаторов;

— Широкий диапазон регулирования мощности; 

— Низкие потери и удельная стоимость;

— Меньшие площади и сроки строительства;

— Дополнительные функциональные возможности, реализуемые программным путем в структуре системы управления.

 

В.Ковалев

 

Виктор Ковалев, директор по науке и инновационным программам ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» (г. Москва):

— Если говорить только об управляемых устройствах компенсации реактивной мощности, применяемых на линиях электропередачи и подстанциях электроэнергетических систем, таких как статические тиристорные компенсаторы (СТК), устройства компенсации реактивной мощности с преобразователями на полностью управляемых полупроводниковых приборах (СТАТКОМ), управляемых шунтирующих реакторах трансформаторного типа (УШРТ), сравнивая их с управляемыми шунтирующими реакторами (УШР) на основе подмагничивания магнитопровода постоянным током, то УШР имеет следующие преимущества:

— стоимость меньше на 20–30%;

— потери меньше в 1,5–2 раза;

— меньшие затраты на обслуживание.

К основным особенностям УШР по сравнению с другими, упомянутыми выше, устройствами компенсации реактивной мощности следует отнести то, что мощность полупроводниковых преобразователей, обеспечивающих регулирование, у УШР составляет 2-3% номинальной мощности, у остальных — 100%. Однако при этом скорость регулирования мощности у УШР, естественно, меньше, но она не является определяющей для электроэнергетической системы. 

 

Виктор Чуприков, к.т.н., технический директор ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» (г. Москва):

— При обсуждении управляемых шунтирующих реакторов следует иметь в виду, что существуют два принципиально разных типа УШР: управляемый подмагничиванием реактор с насыщением, сокращенно УШРП, и шунтирующий реактор трансформаторного типа, сокращенно УШРТ.

По сравнению с обычными статическими тиристорными компенсаторами реактивной мощности, подключаемыми к шинам высокого напряжения подстанции через понижающий трансформатор, оба типа УШР имеют следующие преимущества:

— Возможность выполнения на любой требуемый любой класс напряжения;

— Меньшие габариты, потери и стоимость.

По принципу действия УШРП представляет собой магнитный усилитель, ток сетевой обмотки которого изменяется за счет изменения тока подмагничивания. Основное преимущество УШРП перед УШРТ — относительно малая мощность тиристорного преобразователя (1–3% от мощности УШРП) и, за счет этого, меньшая стоимость. Основной недостаток УШРП — его низкое быстродействие. Даже с использованием форсировки время полного набора или сброса мощности УШРП составляет не менее 300 мс, а в коммутационных режимах линии требуется его предварительное подмагничивание.

УШРТ объединяет в себе понижающий трансформатор и тиристорно-реакторную группу СТК и представляет собой обычный двухобмоточный трансформатор с напряжением короткого замыкания 100%. Регулирование углов зажигания тиристорных вентилей, подключенных параллельно вторичной обмотке, обеспечивает изменение тока от нуля до номинального значения во вторичной и, соответственно, первичной обмотке УШРТ. При этом мощность тиристорных вентилей равна номинальной мощности УШРТ. По принципу управления и быстродействию УШРТ ничем не отличается от СТК — время изменения мощности в диапазоне плавного регулирования составляет 5–10 мс.

 

УШРТ 220 кВ 60 МВА в Анголе (фото ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ»)

 

2. На что ориентироваться при выборе управляемого шунтирующего реактора помимо класса напряжения и мощности? Важна ли и полезна такая характеристика УШР, как быстродействие?

 

Денис Кондратенко:

— Действительно, помимо класса напряжения и мощности необходимо ориентироваться на такой параметр как быстродействие УШР. Даная характеристика особенно важна в сетях 500 кВ, при применении УШР в качестве линейного (ЛУШР). Так, при включении ВЛ на холостой ход происходит значительное повышение напряжения на разомкнутом конце линии, которое необходимо ограничивать для исключения повреждения ОПН и других элементов линии. Таким образом, чем быстрее УШР ограничит напряжение на требуемом по условиям эксплуатации ВЛ уровне, тем менее вероятно повреждение изоляции линии. Поэтому важно, чтобы ЛУШР имел возможность безинерционного выхода на номинальной режим.

Кроме того, такая характеристика как быстродействие важна при отключении (в большей степени аварийном) нагрузки на смежных объектах. Особое внимание стоит обратить на сети нефтегазовой отрасли, которые характеризуются сильной загрузкой, установкой асинхронных двигателей, а, соответственно, и проблемами влияния пониженного напряжения на двигательную нагрузку.

Как известно, если напряжение сети опускается ниже значения, которое является критическим для асинхронных двигателей, двигатели начинают тормозиться, что вызывает значительное увеличение потребляемого ими тока и провоцирует дальнейшее снижение напряжения на шинах двигателей. Если в течение нескольких секунд не изменить режим по напряжению (повысить его), то дальнейшее снижение напряжения может привести (с тем большей вероятностью, чем больше сопротивление внешней сети) к «опрокидыванию» тех двигателей, которые еще удерживались в работе. Новое снижение напряжения вызывает новое «опрокидывание» — процесс развивается лавинообразно. 

УШР с хорошим быстродействием (совместно с БСК) позволяют решать подобные проблемы в сетях нефтегазовой отрасли.

 

Управляемый тиристорными вентилями шунтирующий реактор УШРТ-25000/110 УХЛ1 на ПС 220 кВ Когалым МЭС Западной Сибири (фото ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

 

Анатолий Антонов:

— Помимо регулирования напряжения в линии, и как следствие, увеличения передаваемой мощности УШР может выполнять важнейшие функции:

— ограничение повышения напряжения и коммутационных перенапряжений, в том числе при включении линий на холостой ход;

— гашение дуги в паузе однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) с функцией адаптивного управления;

— повышение статической и динамической устойчивости.

Указанные функции может выполнять только УШР с высоким быстродействием 0,03–0,07 с. Показатель быстродействия приобретает особое значение для развития принципа адаптивного управления режимами электрических сетей.

 

Виктор Ковалев:

— При выборе УШР необходимо учитывать дополнительный системный эффект, который возникает от установки УШР. Прежде всего, это снижение потерь в ЛЭП при передаче электроэнергии и повышение пропускной способности линий электропередачи.

Также УШР, стабилизируя напряжение на шинах подстанций, обеспечивает значительное снижение числа коммутаций оборудования, предназначенного для поддержания напряжения в допустимых пределах при изменениях режима работы энергосистемы (переключений РПН на трансформаторах и автотрансформаторах, включение/отключение неуправляемых реакторов и конденсаторных батарей и др.). Это значительно повышает надежность работы смежного оборудования подстанций, позволяет снизить эксплуатационные затрат на ремонты.

Одновременно происходит и повышение качества напряжения в сети более низких классов напряжения, у потребителей электроэнергии, что также повышает надежность работы оборудования и снижает ущербы у потребителей от некачественного напряжения. Все это надо учитывать.

Быстродействие — важная характеристика любого управляемого устройства компенсации реактивной мощности. Однако в зависимости от назначения устройства требования к быстродействию должны быть разными.

Применительно к УШР, предназначенных для поддержания напряжения в месте установки, в соответствии с требованиями ОАО «ФСК ЕЭС», быстродействие определено величиной 0,3 сек. Опыт эксплуатации более 30 управляемых шунтирующих реакторов напряжением 220–500 кВ показывает, что более высокого быстродействия не требуется.

Для решения специальных задач, при применении УШР на длинных транзитных ЛЭП, к устройствам могут быть предъявлены и требования по более высокому быстродействию. Однако надо понимать, что любые специальные требования должны быть экономически обоснованы, так как приводят к увеличению стоимости устройства.

 

В.Чуприков

 

Виктор Чуприков:

— Быстродействие любого компенсирующего устройства — важнейшая характеристика, влияющая на его функциональные возможности. В таблице приведено сравнении двух типов УШР.

Низкое быстродействие УШРП не позволяет использовать его, в полной мере, как линейный реактор и его применение ограничено регулированием напряжения на шинах подстанции и повышением статической устойчивости энергосистемы. В то же время, высокое быстродействие УШРТ позволяет подключать его непосредственно на конец линии вместо линейного ШР и, именно в этом случае, обеспечить максимальную эффективность его применения в магистральных линиях электропередачи, повышая не только статическую, но и динамическую устойчивость.

 

3. Какова ситуация на рынке УШР? Почему, на Ваш взгляд, это оборудование пока не получило широкого распространения? Как будет меняться ситуация?

 

Денис Кондратенко:

— Вы не правы, на рынках России применение УШР получило широкое распространение. Только компания «ЭЛУР» произвела поставку более 70 УШР, суммарной мощности более 6 ГВА на рынок России (сети ОАО «ФСК ЕЭС», «МРСК Холдинг», РАО Востока, сети нефтегазовой отрасли).

Основная проблема применения УШР сводится к тому, что в нашей стране в настоящее время мало внимания уделяется энергоэффективности и оптимизации работы энергосистем. Связано это в основном с тем, что значительные средства тратятся на обновление устаревшего парка трансформаторного оборудования и всего электросетевого комплекса. Таким образом, средства, выделяемые на энергоэффективные технологии, сравнительно незначительны.

В западных странах позиции технологии УШР не так сильны, как, например, СТК. Данное обстоятельство можно объяснить отсутствием технологии изготовления УШР, с одной стороны, лоббированием западных производителей имеющейся у них технологии СТК — с другой. Но могу заверить читателей, что специалисты стран Запада с интересом относятся установке УШР в энергосистемах их стран. В настоящее время наша организация совместно с ПАО «Запорожтрансформатор» (Украина) предпринимает значительные усилия по диверсификации российского рынка.

 

Виктор Ковалев:

— В России УШР напряжением 500 кВ мощностью 180 МВА выпускает только ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД». Первый образец УШР производства ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» был установлен на ПС Нелым МЭС Западной Сибири в мае 2012 г., успешно прошел период опытно-промышленной эксплуатации.

Это говорит о том, что данный вид оборудования уже признан энергетиками России и стран ближнего зарубежья, аттестован ОАО «ФСК ЕЭС» и применяется в электрических сетях напряжением от 35 до 500 кВ.

В странах дальнего зарубежья, действительно, до настоящего времени УШР применения не нашли. Причин этому много. Можно отметить следующие:

— дальние электропередачи переменного тока в зарубежных странах стали строиться позднее, чем в России;

— проблема компенсации реактивной мощности и поддержания напряжений в электрических сетях решается разными способами в зависимости от структуры сетей, плотности размещения источников электроэнергии, характера нагрузки и других факторов. При этом может использоваться различное освоенное в производстве и присутствующее на рынке оборудование;

— УШР — новый тип оборудования, не освоенный производителями других стран, и, кроме того, не освоенный в практике зарубежных проектных организаций, принимающих решение о применении того или иного вида оборудования компенсации реактивной мощности.

Ситуация будет меняться, если наши заводы-производители будут стремиться выйти с этим оборудованием на рынки зарубежных стран. Кроме того, чем шире УШР будут применяться в электрических сетях России, чем шире информация о них будет доходить до зарубежных потребителей, тем больше интерес к данному оборудованию будут проявлять зарубежные энергокомпании.

 

УШР в высоковольтном испытательном зале ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» (фото ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»)

 

Виктор Чуприков:

— На рынке России и СНГ относительно широкое распространение получили УШРП. Я могу объяснить это тем, что разработка конструкции и производство УШРТ всех классов напряжения (от 110 до 500 кВ) находятся только в начальной стадии. При серийном производстве УШРТ вытеснят УШРП, по крайней мере, в тех энергосистемах, где требуется повышение динамической устойчивости.

На мировом рынке перспективы УШРТ представляются весьма хорошими. Что касается УШРП, то их применение весьма маловероятно по двум наиболее важным причинам, озвученным представителями крупнейших мировых производителей СТК — компаниями АББ и Сименс:

— низкое быстродействие;

— нелинейность его магнитной характеристики, что может вызвать резонансные явления в примыкающей энергосистеме.

 

4. Какие новинки появились (были предложены Вашей компанией) в последнее время на рынке УШР?

 

Денис Кондратенко:

— Помимо увеличения номенклатуры оборудования, а сегодня это уже 9 типоисполнений УШР различного класса напряжения, проведена большая работа по снижению уровня потерь и шума, улучшены скоростные характеристики УШР (увеличено быстродействие). Проведена оценка эффективности применения УШР в режиме однофазного повторного включения линии.

Ведутся научные работы по оценке целесообразности применения УШР на шинах генерации, в сетях с применением различных видов нетрадиционных источников энергии (ветроэнергетика, солнечная энергетика). О результатах научных работ будет сообщено дополнительно.

 

Анатолий Антонов:

— В настоящее время в электрических сетях в основном применяются УШР, использующие принцип подмагничивания для регулирования реактивной мощности. Данный тип УШР был разработан в конце 1990-х и долгое время не имел конкурентов.

В 2012 г. ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» разработал УШР трансформаторного типа с тиристорным управлением с возможностью работать без ограничения времени в режиме с Uk близким к 100%. Использование специальной конструкции электромагнитной части УШР с глубокой индуктивной связью между обмотками позволило добиться быстродействия 0,03 с.

Головные образцы таких реакторов мощностью 180 МВар 500 кВ и мощностью 50 МВар на напряжение 220 кВ изготовил ОАО «Айдис групп» в 2013 г.

Развитие интеллектуальных сетей невозможно без применения оборудования, работающего в режиме реального времени и обладающего адаптивными свойствами. Особое место в составе такого оборудования занимают УШРТ. Поэтому, этот вид оборудования продолжит совершенствоваться и будет востребован на российском и мировом рынке.

 

А.Антонов

 

Виктор Ковалев:

— УШР производства ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» существенно отличается по конструкции от УШР производства зарубежных аналогов. Основные отличия:

— сетевая обмотка совмещена с обмоткой управления. Это позволило на 40% снизить активные потери в реакторе;

— стержень магнитопровода специальной конструкции с переменным сечением и немагнитными зазорами. Это позволило обеспечить уровень высших гармоник в токе сетевой обмотки менее 2% (при допустимой величине 3%) без применения дополнительных фильтров;

— массогабаритные показатели примерно на 20% лучше.

 

Виктор Чуприков:

— После ввода в эксплуатацию двух УШРТ 220 кВ 60 МВА в Анголе наша компания занимается совершенствованием конструкции и алгоритмов управления УШРТ.

 

Подготовила Екатерина Зубкова

На первой фото: управляемые шунтирующие реакторы РТУ-180000/500 на ПС «Таврическая» (фото ОАО «ЭЛУР»)

Читайте также: