МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМЫХ ШУНТИРУЮЩИХ РЕАКТОРОВ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 7 ВВЕДЕНИЕ 10 1 УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ РЕАКТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 13 1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта разработок УШР 13 1.2. Преимущества УШР перед альтернативными устройствами 19 1.3. Конструктивные особенности УШР 220-500 кВ. 20 1.4 Конструктивные особенности УШР 35 - 110 кВ. 28 1.5 Конструкция и функции УШРТ 32 Выводы 40 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УШР В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СЕТЯХ 41 2.1 Влияние УШР на процессы, протекающие в цикле однофазного автоматического повторного включения линии 41 2.2 Упрощенная модель процессов в бестоковой паузе ОАПВ 44 2.3 Влияние тока дуги подпитки на эффективность паузы ОАПВ 45 2.3.1 Электростатическая составляющая тока подпитки 46 2.3.2 Составляющая тока подпитки от шунтирующего реактора 50 2.3.3 Электромагнитная составляющая тока подпитки 53 2.3.4.1 Линия без компенсирующих устройств 56 2.3.4.2 Линия с установленным УШР на одном из концов ВЛ 500 кВ 58 2.3.4.3 Установка УШР(ШР) на обоих концах ВЛ 500 кВ 59 2.3.4.4 Вывод о влиянии УШР (ШР) на электромагнитную составляющую тока подпитки дуги 60 2.2.5 Оценка суммарного тока подпитки дуги места КЗ для ВЛ 500 кВ различной длины 61 2.3.5.1 Установка УШР на линии 500 кВ длиной 200 км и менее 62 2.3.5.2 Установка УШР на линии 500 кВ длиной 200-300 км 62 2.3.5.3 Установка УШР на линии 500 кВ длиной более 300 км 64 2.3.6 Выводы о влиянии УШР на ток подпитки дуги в цикле ОАПВ линии 67 Выводы 69 3 РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ 69 3.1 Разработка имитационной модели управляемого тиристорного шунтирующего реактора в Matlab 69 3.2 Схема модели 71 3.3 Работа УШРТ в паузе ОАПВ в средней точке ВЛ 220 кВ 76 3.4 Работа УШРТ при включении холостой линии 77 3.5 Работа УШРТ при сбросе нагрузки. 80 3.6 Практический пример воздействия УШРТ на работу электроэнергетической системы. 82 3.7 Опыт и перспективы применения УШРТ 83 Выводы 84 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 86 ПРИЛОЖЕНИЯ 95

1. Пекелис В.Г., Чашкина С.Ю. К вопросу об эффективности применения управляемых шунтирующих реакторов большой мощности // Электротехника. – 2003. – №1.– С.13-18. 2. Кондратенко Д.В., Цыганов С.И. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы как средство повышения эффективности работы электроэнергетических систем// Электро. - 2008. - №1. 3. СТО 56947007-29.240.10.028-2009. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ. 4. Основы теории цепей: Учебник для вузов/Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб., - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.: ил. 5. Долгополов А.Г., Гнедин П.А., Кондратенко Д.В. Управляемые шунтирующие реакторы – новое оборудование для повышения энергоэффективности в электроэнергетике// «Энергетика и природные ресурсы Казахстана». - 2010. - №2. 6. В.С Чуприков. Управление статическим тиристорным компенсатором для линий электропередачи // Электричество 1990 №4 7. Соколов С.Е. О взаимосвязи гармоник нелинейности магнитного потока и напряженности поля трехфазных ферромагнитных устройств // Изв. вузов. Энергетика. - 1981. - № 6. 8. Соколов С.Е., Борисов Г.О., Гусев А.П., и др. Управляемые ферро магнитные реакторы и их использование для управления режимами протяженных ЛЭП// Новосибирск: Наука, 1993. 9. Бобриков С.А. Метод изготовления магнитопровода катушки со стальным сердечником, имеющего заданную зависимость между намагничивающим током и потоком/ Бобриков С. А., Сомов В.А. // Изв. вузов. Электромеханика. -1963.- №12. 10. Becker Н. Ein statischer Phasenschieber zur Kompensation von Blindleistung // ETZ-B, 1971. Bd 23. H. 12. 11. Брянцев А.М. Подмагничиваемые ферромагнитные устройства с предельным насыщением участков магнитной цепи/ Брянцев А. М.// Электричество. - 1986. - №2. 12. Брянцев А.М. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы для энергетики России /Брянцев А.М., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А. и др. // Научно-техническая газета «Энергопрогресс», спецвыпуск, декабрь 2004 г. 13. Reichert K.J., Kauferle J., Glavitsh H. Controllable reactor compensator for more extensive utilization of hign voltage systems // CIGRE. 25 Session. Report 32-17. 1974. 14. Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ 50 МВАр пущен в эксплуатацию. // Электричество. - 2002. - № 3. 15. Дорожко Л.И., Лейтес Л.В. Сравнительный анализ различных конструкций управляемых реакторов// Электротехника. - 1991. - № 2. 16. Александров Г.Н., Кашина В.А Сравнение технико-экономических показателей неуправляемых и управляемых реакторов // Электротехника. - 1997. - № 1. 17. СТО 56947007-29.180.02.140-2012. Методические указания по проведению расчетов для выбора типа, параметров и мест установки устройств компенсации реактивной мощности в ЕНЭС. 18. Либкинд М.С. Управляемый реактор для линии передачи переменного тока. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 19. Беляков Н.Н. Процессы при однофазном повторном включении линий высоких напряжении / Н.Н. Беляков, К.П. Кадомская, М.Л. Левинштейн и др. / Под ред. М.Л. Левинштейна. – М.: Энергоатомиздат, 1991 20. Качесов В.Е. О перспективах применения управляемых реакторов в цикле ОАПВ линий электропередачи сверхвысокого напряжения / В.Е. Качесов// Электричество, №12, 2005. – С.2-13. 21. Fisher F., Friedlander E. D.C. controlled 100 MVA reactor // GEC Journal. 1955. Vol. 22. № 2. 22. Жакутова С.В. Управляемые шунтирующие реакторы для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электрических сетях ЕНЭС республики Казахстан // Электротехника. – 2003. – №1 23. Кадомская К.П. Высоковольтные ВЛ. Эффективность и управляемость шунтирующих реакторов // Новости электротехники. - № 3(51) - 2008. - С. 70-71. 24. Крюков А.А. Управляемая поперечная компенсация электропередачи переменного тока / А.А. Крюков, М.С. Либкинд, В.М. Сорокин // М.: Энергоиздат, 1981. – 182 с. 25. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы / М.В. Дмитриев, Е.Б. Шескин, А.С. Карпов, Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г. / Под ред. Г.А. Евдокунина. – СПб: Родная Ладога, 2013. – 280 с. 26. Беляев А.Н., Смоловик С.В., Чобан В.Б. Обоснование требований к быстродействию управляемых шунтирующим реакторам // Энергоэксперт. – 2013. - №5. 27. Долгополов А.Г., Ахметжанов Н.Г., Кондратенко Д.В. и др. Ввод в эксплуатацию управляемого шунтирующего реактора на Игналинской АЭС // Новости электротехники. - 2008. - №6. 28. Kramer W. Drehstromiransformator mit regelbaren Magnetisierungsirom // ETZ-A, 1959. Bd 80. Н. 4. 29. Долгополов А.Г., Ахметжанов Н.Г., Кондратенко Д.В. и др. Международный проект установки шунтирующего реактора на Игналинской АЭС// Электрические станции.-2009.- № 3. 30. Кондратенко Д.В. Опыт эксплуатации и сетевых испытаний управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов производства ОАО «Запорожтрансформатор»/ Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В./ 4 международная конференция. «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Москва, 23-24 июня 2009 г. 31. Аристов К.В., Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. Быстродействие управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов // Энергетик. - 2012. - №4. 32. Аристов К.В., Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Соколов Ю.В. Опыт применения линейных управляемых шунтирующих реакторов. Возможные проблемы и пути их решения// Электро. – 2012. - №4. 33. Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г. и др. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике// Электро. - 2010. - №2. 34. Кондратенко Д.В. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике/ Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г.// Международный симпозиум ТРАВЭК-2010, г. Москва. 35. Соколов С.Е. Трехфазный управляемый реактор с цилиндрическими обмотками/ Соколов С.Е., Брянцев А.М. // Тезисы докладов на V Всес. межвуз. конф. по теории и методам расчета нелинейных эл. цепей и систем. Ташкент, 1975, вып. 2. 36. Долгополов А.Г. Опыт внедрения и эксплуатации управляемых шунтирующих реакторов / Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Сиделев О.А. и др. // Международный симпозиум ТРАВЭК-2011, г. Москва. 37. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Постолатий В.М. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей// «Региональные проблемы энергетики». - 2011. - №3. 38. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. Управляемые шунтирующие реакторы. Воздействия на тиристорные преобразовательные блоки при коммутациях УШР// Новости электротехники. - 2011. - № 6. 39. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Дмитриев М.В и др. Воздушные линии с УШР. Однофазное автоматическое повторное включение // Энергетик. – 2012. - №4. 40. Адамов А.И., Долгополов А.Г. Кондратенко Д.В. Опыт эксплуатации и результаты испытаний управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов// Вестник Алматинского института энергетики и связи. - 2009. - № 3 (6). 41. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. Опыт эксплуатации управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов производства ОАО «Запорожтрансформатор» в Литве и Казахстане // Энерго-Info. - 2009. - № 10. 42. Патент на изобретение № RU 2473999 C1 Российская Федерация. Способ увеличения быстродействия управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора. / Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. // Бюллетень изобретений №3 от 27.01.2013 г. 43. Шакарян Ю.В., Новиков Н.Л. Технологическая платформа Smart Grid // Энергоэксперт. – 2009. - №4. 44. Долгополов А.Г., Сорокин С.Е. Управляемые реакторы. Обзор технологий// Новости Электротехники. – 2012. - №3(75). 45. Электрические системы: Под ред. В.А. Веникова — Москва: Высшая школа, 1971. — 438 с., ил. 46. Брянцев А.М., Базылев Б.И., Лурье А.И., Смоловик С.В. Регулирование и стабилизация напряжения высоковольтной электрической сети управляемыми источниками реактивной мощности индуктивно-емкостного типа// Электричество. 2012. - №10. 47. Брянцев А.М., Брянцев М.А и др. Высоковольтные реверсивные источники реактивной мощности на базе управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов// Энергетика. – 2010. - №4(35). 48. Пат. 2335056 Российская Федерация, МПК H02J3/18 H01F29. Источник реактивной мощности / А.М. Брянцев, 2008. 49. Александров Г. Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 МВАр пущен в эксплуатацию. / Александров Г. Н. // Электричество. - 2002. - №3. 50. Александров Г.Н. Управляемые реакторы/ Александров Г. Н., Лунин В. П. // Издание центра подготовки кадров энергетики. Санкт-Петербург, 2005 г. 51. Александров Г.Н., Шакиров М.А. Трансформаторы и реакторы. Новые идеи и принципы. СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 204 с. 52. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. - М.: НЦЭАС, 2000. - 458 с. 53. Ивакин В.Н. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы /Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г, Худяков В.В.// Москва: Энергоатомиздат, 1993. 335 с., ил. 54. Долгополов А.Г., Долгополов С.Г., Зайцев А.И. и др. Три года промышленной эксплуатации управляемого подмагничиванием трехфазного шунтирующего реактора 110 кВ, 25000 кВА на подстанции «Кудымкар» Пермэнерго // Электротехника. - 2003. - №1. 55. Долгополов А.Г., Ивакин В.Н. Управляемые шунтирующие реакторы. Обзор и сравнительные характеристики // Новости электротехники.-2013. - №6(84). 56. Гусев С.И., Столяров Е.И., Мустафа Г.М. и др. Модель управляемого подмагничиванием реактора для отражения его при расчетах процессов в линиях электропередачи // Электричество. - 2010. - № 6. 57. Гусев С.И., Карпов В.Н., Киселёв А.Н. и др. Результаты системных испытаний шинного управляемого шунтирующего реактора 500 кВ на подстанции «Таврическая» // Электрические станции. - 2009. - №7. 58. Карпов В.Н. Разработка численно-аналитических моделей управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для анализа электромагнитных процессов в нормальных и аварийных режимах электрических сетей: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.14.02 / Карпов Виктор Николаевич – М., 2013 – 18 с. 59. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. А.М. Брянцева. -М.: «Знак». 2004. 264 с. Ил. 60. Соколов С.Е. О взаимосвязи гармоник нелинейности магнитного потока и напряженности поля трехфазных ферромагнитных устройств // Изв. вузов. Энергетика. - 1981. - № 6. 61. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — 9-е изд., перераб. и доп. — Москва: «Высшая школа», 1996. — 638 с. 62. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. — Москва: ДМК Пресс. — 288 с.: ил. 63. Лучко А.Р., Ебадиан М. Принципы математического моделирования динамических процессов в управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторах в SimPowerSystems (Matlab)// Электричество, 2008. — N 3. — С. 70–75. — ISSN 0013-5380. 64. Дьяконов В. П. MATLAB 7.*/R2006/R2007: Самоучитель. — Москва: ДМК Пресс, 2008. — 768 с.: ил. — ISBN-13: 978-5-94074-424-5. 65. Соколов С.Е. Исследование схем питания обмотки подмагни- чивания управляемого реактора с вращающимся магнитным полем. Энергетика и электрификация // Алма-Ата: КазПТИ, 1971, вып. 1. 66. Шескин Е.Б. Исследование электромагнитных переходных процессов в линиях электропередачи сверхвысокого напряжения с управляемыми шунтирующими реакторами:: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.14.02 / Шескин Евгений Борисович – М., 2013 – 16 с. 67. Беляев А.Н., Евдокунин Г.А., Смоловик С.В., Чудный В.С. Обоснование необходимости применения устройств управляемой поперечной компенсации для транзитных электропередач 500 кВ // Электричество. 2009. № 2. 68. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети: учеб. пособие/Г.А. Евдокунин – Изд-во Политехн. ун-та, 2010г., - 330 стр. 69. В.С Чуприков. Концепции применения статических тиристорных компенсаторов в электрических сетях сверхвысокого напряжения // Энергоэксперт 2014 №5. 70. Брянцев А.М., Соколов С.Е., Бикташев Ш.Ш и др. Стержневой управляемый реактор с пространственным магнитопроводом в электрической сети 35–110 кВ// Электрические станции. - 1982. - №5. 71. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В. Опыт эксплуатации управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов производства ОАО «Запорожтрансформатор» в Литве и Казахстане // Энерго-Info. 2009. № 10. 72. L. Paulsson, A. Silva, B. Thorvaldsson, R. Gonzalez. Combined Short and Long Term Ratings of Static Var System Components for Steady State and Transient Voltage Support in a 500-kV Power Grid. Invited paper 24, lV Symposium of specialists in Electric Operational and Expansion Planning. Foz do Iguacu. Brazil, 23-27 May 1994. 73. IEE Special Stability Controls Working Group. Static Var Compensator Models for Power Flow and Dynamic Perfomance Simulation. IEE Transacrions on Power Systems. Vol. 8. No. 1. Pp. 113-121, Feb, 1994. 74. Евдокунин Г.А. Статическая устойчивость режимов электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами // Энергоэксперт. 2009. № 6. 75. Евдокунин Г.А., Смоловик С.В. Оценка эффективности снижения потерь активной мощности в элементах электропередачи при применении управляемых шунтирующих реакторов // Энергоэксперт. 2008. № 4. 76. Александров Г.Н. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50МВАр выпущен в эксплуатацию – Электричество, 2002, №3. 77. «Стандарт Организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007 – 29.180.03.198-2015» Распространяется на УШР для электрических сетей напряжением 110-500 кВ 78. Кондратенко Д.В., Долгополов А.Г., Шибаева Т.А., Виштибеев А.В. Статический компенсатор реактивной мощности на базе УШР как необходимое средство повышения энергоэффективности в электроэнергетике // ЭЛЕКТРО. 2010. № 2. 79. Электротехнический справочник: в 4 т., Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии/ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл.ред. А.И. Попов) – 9-е изд., стер. – М.: Издательство МЭИ, 2004. – 964 с.

1 УПРАВЛЯЕМЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ РЕАКТОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта разработок УШР В настоящее время в электроэнергетике стран СНГ и зарубежных стран большое значение придается созданию управляемых или гибких линий электропередач, являющихся составной частью «интеллектуальных» (Smart Grid) сетей с устройствами FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) [43]. Для оптимального ведения режимов таких энергосистем необходимы высокоэффективные средства регулирования потоков как активной, так и реактивной мощности. Для управления режимами по напряжению и реактивной мощности наряду с традиционным применением генераторов, синхронных и статических компенсаторов, коммутируемых реакторов и конденсаторных батарей в последнее десятилетие все более широко используются новые устройства – управляемые шунтирующие реакторы (УШР) [44]. Трансформаторное исполнение для открытой установки на любой класс напряжения с возможностью плавного регулирования потребляемой реактивной мощности позволяет установить УШР в любой части энергосистемы и обеспечить стабилизацию напряжения, оптимизацию перетоков реактивной мощности, повышение пропускной способности электропередач, снижение потерь, числа коммутаций выключателей и действий РПН трансформаторов [45]. Сочетание УШР с параллельно установленной батареей статических конденсаторов (БСК) позволяет обеспечить не только плавно регулируемую компенсацию (потребление) реактивной мощности, но и ее выдачу в соответствии с мощностью БСК при разгрузке УШР до режима холостого хода [46-48]. За предшествующий к настоящему времени период (к 2021 г.) в странах СНГ и ближнего зарубежья изготовлено и введено в эксплуатацию более восьмидесяти управляемых реакторов напряжением от 6 до 500 кВ. Основные типы управляемых шунтирующих реакторов их мощность, кем изготовлены и где внедрены, указаны в таблице 1.1 и показаны на рисунке 1.1.