Область применения шунтирующих реакторов

Шунтирующие реакторы (ШР) используются в качестве одного из средств компенсации реактивной мощности в сооружаемых, реконструируемых и эксплуатируемых электрических сетях напряжением 110—1150 кВ, образуемых соответствующими линиями электропередачи. Возможности ЛЭП разного класса напряжений характеризуются данными, приведенными в табл. 1 для наиболее распространенных сечений проводов. Наибольшие длины линий для напряжений 220 кВ и выше указаны с учетом сооружения промежуточных переключательных пунктов или подстанций с установкой на них КУ.
Таблица 1

Предполагается следующее использование линий по классам напряжений:
110—150 кВ для распределения мощностей внутри энергосистем  и предприятий электрических сетей, электроснабжения промышленных предприятий, больших городов, удаленных или энергоемких  сельских потребителей, распределения мощностей внутри крупных  городов, электрификации железных дорог и трубопроводов;
220—330 кВ доя распределения мощностей внутри крупных энергосистем, электроснабжения удаленных и крупных потребителей, создания центров питания сетей 110—150 кВ, выдачи мощности небольших электростанций;
400—500 кВ для развития объединенных энергосистем и ЕЭС России, обеспечения межсистемных связей, выдачи мощности крупными электростанциями, электроснабжения крупных энергоемких предприятий или промышленных узлов;
750—1 150 кВ для развития крупных объединенных энергосистем и образования ЕЭС России, обеспечения межсистемных связей, выдачи мощности крупными электростанциями.

Известно, что высоковольтную ЛЭП можно рассматривать как цепь с распределенными параметрами, представленную в виде множества соединенных в цепочку элементов (рис. 1 ,а). Первичные параметры такой цепи, отнесенные к единице длины линии, имеют следующий физический смысл: г — сопротивление прямого и обратного проводов, L — индуктивность петли, образуемой прямым и обратным проводами (или с учетом влияния земли — рабочая индуктивность петли), g — проводимость (утечка) между проводами, С — емкость между проводами или с учетом емкости проводов по отношению к земле — рабочая емкость между проводами.
Для оценки режимов работы ЛЭП по реактивной мощности можно воспользоваться приведенной па рис. 1,6 простейшей П-образной схемой замещения линии, зависимостью реактивной мощности линии длиной 400 км от передаваемой мощности (рис. 1,в), а также характеристиками линий, приведенными в табл. 2.
Таблица 2

Рис. 1. Схемы линий и их характеристики:
а — схема замещения линии; б — упрощенная схема замещения; в — зависимость реактивной мощности от передаваемой мощности для ВЛ длиной 400 км; г — размещение КУ на ЛЭП

В режимах незначительной загрузки линии, что имеет место в настоящее время в электрических сетях ЕЭС России, нескомпенсированность зарядной мощности линий при Р/Ршт < 1 приводит к генерации линиями реактивной мощности (Q/PHaT< 0, рис. 1,в) и соответствующему увеличению напряжений на линиях и шинах подстанций (ПС), а в ряде случаев к увеличению их выше допустимых значений.
Повышение напряжений вызывает неблагоприятные последствия, связанные с выходом из строя оборудования из-за повреждения изоляции, повышенными потерями электроэнергии от короны на проводах линий, увеличением уровня помех в каналах связи, необходимостью отключения ЛЭП для уменьшения общей зарядной мощности линий и потреблением реактивной мощности генераторами электростанций. Например, при минимальных нагрузках в ночное время мая 1994 г. из сети 500 и 750 кВ ЕЭС России по экспертной оценке в сеть низкого напряжения подается избыточная реактивная мощность, равная 10000 Мвар. Традиционный в прошлые годы подход к проектированию ЛЭП с неполной компенсацией их зарядной мощности был приемлем в условиях достаточно высокой загрузки линий. Поэтому сегодня в условиях общего снижения электропотребления и соответственно снижения передаваемых по ЛЭП мощностей требуется повышение степени компенсации с традиционных 40—50 до 80—120% в электрических сетях 500, 750 и 1150 кВ. Данная проблема существует в ОЭС Центра, ОЭС Урала, ОЭС Северо-Запада и в значительно меньшей степени в ОЭС Сибири и ОЭС Востока.
Наиболее экономичным способом компенсации зарядной мощности ЛЭП 330, 500, 750 и 1 150 кВ системообразующих высокой вольтных сетей является применение шунтирующих реакторов (ШР) того же класса напряжения с целью ее компенсации в месте генерации реактивной мощности.
В табл. 3 приведены параметры масляных ШР, серийно выпускаемых ОАО Холдинговая компания «Электрозавод» (г.Москва).
С точки зрения компенсации зарядной мощности линии установка реакторов может осуществляться как на линии, так и на шинах ПС. Однако более целесообразным является установка ШР на линиях, особенно длинных, так как при этом решаются также вопросы снижения перенапряжений при коммутациях ЛЭП и гашения дуги в паузу однофазных автоматических повторных включений (ОАПВ) после устранения однофазных КЗ в линии.

Шунтирующие реакторы играют ключевую роль в снижении коммутационных перенапряжений, которая учитывается следующим образом:
перед выполнением планового включения и отключения ЛЭП к ней оперативно подключают шунтирующий реакторв;
при срабатывании на одном из концов ЛЭП защиты от повышения напряжения первая ее ступень с уставкой 1,1 Uф и небольшой выдержкой времени включает все реакторы данного конца и, если повышение напряжения не устранилось, производится отключение ЛЭП;
при срабатывании любой защиты линии и подаче команды на отключение одной или трех фаз одновременно включаются все фазы всех реакторов, если они по условиям передаваемой по ЛЭП мощности были отключены. С учетом времени отключения линейного выключателя подключение реакторов происходит на 0,05 с позже отключения линии с первого ее конца. Поэтому АПВ и возможное последующее отключение ЛЭП при неуспешном АПВ происходит при полном количестве подключенных реакторов.
Обычно выключатели (включатели—отключатели) имеют искровые промежутки, которые при отказе выключателя на включение или до окончания указанных выше 0,05 с пробиваются перенапряжением в случае его возникновения, обеспечивая подключение реакторов к линии. Нижний предел пробивного напряжения искрового промежутка выбирается из условия отстройки от напряжений при качаниях в ЛЭП, а верхний должен быть меньше нижнего значения пробивного напряжения разрядника (около 1,4—1,5Uф), что гарантирует подключение реактора при соответствующих перенапряжениях. Отметим, что для искрового промежутка включателя—отключателя 750 кВ диапазон пробивных напряжений с вероятностью 0,9 нормирован значениями (1,2—1,8)Uф, а 1150 кВ — (1,15—1,63) Uф.
С точки зрения ограничения перенапряжений искровое подключение реактора является менее эффективным по сравнению с предварительным его подключением, так как после искрового подключения в первый полупериод частоты 50 Гц ток реактора в переходном процессе достигает 30% номинального значения, во второй полупериод — 70%. Это приводит к увеличению коммутационного тока разрядника в течение 0,02 с.
Следует подчеркнуть наличие проблемы частых коммутаций, особенно отключений, шунтирующих реакторов.
Проведенные обширные испытания показали, что отключение ШР современными воздушными выключателями 500—750 кВ вызывает срезы индуктивного тока до 60—70 А, которые без принудительного ограничения могут приводить к перенапряжениям па 28 реакторах до 3,5Uф. При этом восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя может достигать значений 4,2Uф, что значительно превышает уровни изоляции оборудования. Применение в этом случае вентильного разрядника типа РВМК на реакторе снижает перенапряжения, например на ШР 750 кВ, до 1,9Uф, а восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя до 1,Шф, что не превышает допустимых значений. Однако при недостижении перенапряжения на реакторе пробивного напряжения разрядника восстанавливающееся напряжение может достигать и 2,8£/ф. Аналитические расчеты и испытания показали, что замена разрядника РВМК-750 на оксидно-цинковый ограничитель ОПН-750 снижает перенапряжения при отключениях реакторов и восстанавливающиеся напряжения на выключателе до значений 1,65Uф и 2,2Uф соответственно. Отметим, что уровень ограничения перенапряжений практически не зависит от паразитной емкости реакторного присоединения и незначительно возрастает при использовании облегченного ограничителя ОПНО вместо ОПН, так как амплитуда тока через ограничитель близка к току среза и для выключателей 750 кВ составляет не более 70 А.