Примеры схем СТК

Сооружение СТК на подстанции 500 кВ «Луч» потребовало проведения комплекса исследований, направленных на отработку основных технических решений по силовой схеме и отдельным видам оборудования и устройств компенсатора, а также накопления опыта эксплуатации впервые внедряемой в энергосистеме мощной тиристорной установки данного типа. Натурные экспериментальные исследования, выполненные в процессе освоения СТК, позволили получить результаты и выводы, выходящие за рамки определения работоспособности данной конкретной установки. Эти результаты используются в настоящее время при разработке, проектировании и эксплуатации СТК, предназначенных для оптимизации режимов энергосистем по напряжению и реактивной мощности.
Подстанция 500 кВ «Луч» находится на транзитном участке линии между Костромской ГРЭС и Чебоксарской ГЭС. Уровень напряжения на шинах ПС зависит от перетока мощности по линиям 500 кВ, а также нагрузок сетей 110 и 220 кВ. В 80-е годы, когда внедрялся СТК, возможные изменения напряжения на шинах 500 кВ в течение года составляли примерно 60 кВ, а колебания напряжения в течение суток не превосходили 30—35 кВ. Поэтому при относительно небольшой мощности СТК, равной 120 Мвар, наиболее эффективно было его использование для стабилизации напряжения на шинах 110 кВ, питающих местную промышленную нагрузку.
Статический тиристорный компенсатор (рис. 1,а) состоит из ТРГ (ZJ, L2 и VS), фильтра третьей гармоники (£ф — Сф) и конденсаторной батареи (СКБ). Используются два варианта схемы: вариант 1, когда фильтры подключаются между реакторами L1 и L2, и вариант 2, когда фильтр подключен к шинам 110 кВ. В первом случае фильтр приобретает свойства широкополосного, но воздействия по току и напряжению на тиристорные вентили существенно выше, чем при подключении фильтра к шинам. Вместе с тем различается и регулировочный диапазон по реактивной мощности (121,2 и 90,2 Мвар). В тиристорном вентиле количество последовательных ячеек из тиристоров типа T3-320-24 равно 140 (рис. 1,6). Система управления — кабельно-трансформаторная с двумя ступенями трансформации и суммарным коэффициентом Кт = 60. Стремление уменьшить число импульсных трансформаторов и снизить мощность формирователей импульсов привело к решению использовать каждый трансформатор для управления двумя тиристорами, расположенными в соседних ячейках и связанными между собой катодными выводами.

6)
Рис. 1. Схемы СТК и вентиля:
а — одна фаза СТК 110 кВ, 120 Мвар; б — тиристорный вентиль 110 кВ
Кабель  управления имеет бумажно-масляную изоляцию и смонтирован в отдельном герметичном корпусе, заполненном трансформаторным маслом. Конструктивно вентиль располагается в металлическом баке 2 650X2 200 мм в основании и 3 000 мм высотой. Вентили располагаются на открытой части ПС и охлаждаются от установки ГОУ-4. Проведенные на ПС монтажные, профилактические ремонтные и наладочные работы не выявили заметных отличий от аналогичных работ, выполняемых на маслонаполиенном оборудовании. Испытания разработанной системы масляного охлаждения определили два режима работы ГОУ-4. При температуре окружающего воздуха ниже +10°С достаточно использовать одну секцию теплообменника. Номинальный токовый режим обеспечивается расходом масла 80 м³/ч через вентиль, а маслосистема характеризуется следующими параметрами: давление на входе в вентили 1,1 кгс/см², давление маслоиасоса 2,4 кгс/см², установившаяся температура масла перед теплообменником не более +42°С, время установления температуры 1 ч. При температуре воздуха выше +10°С используются три секции теплообменника, что обеспечивает температуру масла не выше Н-50°С и требуемый температурный режим структуры тиристора.
ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРНОГО ВЕНТИЛЯ
Номинальный ток (действующее значение), А ............... 560
Средний номинальный ток вентиля, А ............................. 250
Максимально допустимый ток перегрузки в течение 20 мин, А,
при расходе масла, м³/ч:
40 ........................................................................ ....................... 320
35 ................................................................................................ 300
Допустимый ток (амплитудное значение) перегрузки в течение 0,1 с, А         1700
Рабочее напряжение (амплитудное значение) 50 Гц, кВ:
номинальное ........................................................................... 130
максимальное.......................................................................... 180
Скорость нарастания:
прямого и обратного напряжения, кВ/мкс, не более ....... 20
тока при включениях в длительных режимах, А/мкс, не более   20
Номинальные удельные потери в TK, Вт/квар ...............  4,0
Принадлежностью тиристорного ключа является цепь демпфирования 7?д — Сд (рис. 1,а), параметры которой определяются из условия оптимизации режимов включения и выключения вентилей. Выбранные значения = 2 кОм, Сд = 28 нФ обеспечивают ударный коэффициент перенапряжений, равный 1,4, максимальную амплитуду колебательной составляющей тока включения на уровне 90 А и скорость нарастания прямого тока 12 А/мкс при напряжении 115 кВ на шинах подстанции.
Реакторы, фильтровая и шунтовая батареи оснащены стандартным набором защитных устройств. Защиты тиристорных ключей выявляют следующие неисправности: длительное снижение более Чем на 20% напряжения питания формирователей импульсов управления вентилей и их отказ, выход из строя 10% тиристорных ячеек, выделение газа из-за нарушения контактов в тиристорных ячейках, перегрев охлаждающего масла на выходе из вентилей, пропуски включения вентилей, длительный несимметричный режим работы тиристорного ключа и увеличение токов вентилей выше заданной уставки. В процессе опытно-промышленной эксплуатации потребовалась доработка защит от пропуска включения вентилей и выхода из строя 10% тиристорных ячеек, остальные защиты работают достаточно эффективно.
Режим работы СТК определяется автоматическим регулятором (АР), функциональная схема которого (рис. 2,а) содержит тракты регулирования, формирования первичных импульсов управления тиристорными ключами, устройствами автоматики и системы питания. В звене WAU происходит формирование передаточной функции по отклонению напряжения трех фаз, образованного вычитанием выходных величин измерительного преобразователя напряжения ИНН и уставки напряжения УН. Максимальное значение коэффициента передачи составляет 150 рад/ед. напряжения. При понижении напряжения ниже 80—92% уставки вступает в работу блок форсирования напряжения ФНТ, закрывающий реакторно-тиристорную группу СТК. На сумматор С2 кроме основного сигнала AU поступают стабилизирующие воздействия по производным напряжения, по отклонениям частоты и реактивной мощности. Режим работы регулятора «ручной» или «автоматический» выбирается переключателем 77, через который напряжение управления поступает на формирователи разрешения открытия ФРО. В этом элементе происходит преобразование управляющего сигнала в угол управления ТК в диапазоне ашп — атах.
Синхронизация генератора линейной развертки ФРО производится по напряжению шин 110 кВ. Отдельный канал ФРО предназначен для реализации команды — QM на полное открытие ТК, ограниченное значением OLmin. Сигналы разрешения открытия с выводов ФРО производят пуск формирователей первичных

Рис. 2. Регулирование СТК:
а — структурная схема регулятора; б — работа ТРГ

импульсов ФПИ, запрет действия которых (для закрытия ТК по команде        либо при срабатывании защит) осуществляется блокированием одновибраторов, определяющих длительность первичных импульсов. Учитывая, что построение силовой схемы СТК обеспечивает независимое управление фазами, в АР предусмотрено в случае симметрирования напряжения пофазное регулирование напряжения.
На рис. 2,6 показан один из характерных суточных графиков работы реакторно-тиристорной части СТК при ведении режима стабилизации напряжения на шинах 110 кВ подстанции «Луч».
С 1991 г. на подстанции 220 кВ «Могоча» АО Читаэнерго функционирует СТК мощностью 80 Мвар (рис. 3), основное назначение которого — регулирование напряжения на протяженной ЛЭП 220 кВ. Проект СТК выполнен институтом Восточно- Сибирский Энергосетьпроект (г.Иркутск) при участии АО ВНИИЭ. Оборудование СТК изготовлено и поставлено следующими предприятиями: тиристорная часть с системой управления и фильтро- компенсирующие цепи (ФКЦ) — ЗПО «Преобразователь» (г.Запорожье); компенсирующие реакторы — Электрозавод (г.Москва) и система автоматического регулирования (САР) — АО ВНИИЭ. В процессе внедрения СТК тиристорная часть с системой управления были модернизированы применительно к условиям ПС «Могоча».

Рис. 3. Схема СТК на ПС «Могоча»
Статический тиристорный компенсатор состоит из двух секций, подключенных к третичным обмоткам 10 кВ главных трансформаторов 77 и Т2. Каждая секция СТК содержит тиристорно-реакторную группу мощностью 40 Мвар и ФКЦ, настроенные на 3-ю гармонику (установленная мощность 6,3 Мвар), на 5,7,11 и 13-ю гармоники (установленная мощность каждой 9,9 Мвар). Тиристорная часть ТРГ выполнена с воздушным охлаждением тиристорных вентилей и установлена в отапливаемом помещении. Компенсирующие реакторы ТРГ с масляным охлаждением установлены на открытой части ПС. Фильтроком- пенсирующие цепи установлены в неотапливаемом помещении, а САР — на пульте управления ПС. Последняя включает в себя два идентичных автоматических регулятора (АР) и панель управления СТК.
При работе ПС «Могоча» в составе Дальэнерго (раздел проходит западнее ПС) один АР осуществляет параллельное регулирование обеими секциями СТК в функции напряжения на шинах 220 кВ. В этом случае второй АР находится в состоянии горячего резерва. При разделении энергосистем на ПС «Могоча» (выключатель QF220 разомкнут) каждый СТК делится на два независимо работающих компенсатора. В этом случае каждый АР работает в составе своего СТК с регулированием напряжения 220 кВ соответствующей энергосистемы.
Фильтрокомпенсирующие цепи 3-й и 5-й гармоник постоянно находятся в работе, что обусловлено требуемым режимом работы ПС и обеспечением необходимого качества напряжения на шинах 10 кВ. Фильтрокомпенсирующие цепи 7, 11 и 13-й гармоник используются для сезонного регулирования.
Особенностью работы ПС «Могоча» является низкое качество напряжения на шинах (уровень высших гармоник в несколько раз превышает допустимое значение), а также одностороннее питание подстанции. Это определило повышенные требования к помехоустойчивости системы управления ТРГ. Было разработано и внедрено устройство автоматического повторного включения ТРГ при нарушениях напряжения синхронизации СУ, используется агрегат бесперебойного питания СУ, введены помехоустойчивые каналы дистанционного управления оборудованием СТК, осуществляемого с панели управления, а также другие меры.
Испытания СТК в энергосистеме проводились для определения оптимальных параметров настройки САР. Схема испытаний соответствовала наиболее тяжелым условиям с точки зрения устойчивой работы САР: питание по одной цепи 220 кВ с включением ДЭП 220 кВ длиной 265 км в режиме холостого хода.
Коэффициент передачи САР по отклонению напряжения шин 220 кВ, установленный в результате испытаний, равен 50 единицам проводимости (реактивной мощности) СТК на единицу напряжения (увеличение его до 80 приводит к некоторому сокращению области устойчивой работы САР). Включение ЛЭП в режиме холостого хода происходит без перерегулирования по выходу САР, время переходного процесса составляет 70 мс. Напряжение шин возрастает с 240 до 245 кВ, суммарный ток ТРГ СТК увеличивается с 1500 до 3400 А.
Во время испытаний также был успешно опробован макет корректора коэффициента передачи САР. Подавление автоколебаний, вызванных выводом САР из области устойчивой работы, достигнуто за 1,5 с, при этом коэффициент передачи САР снизился до 0,65 установленного.
Функционально регулятор выполнен по схеме рис. 2,а. Работа СТК с автоматической стабилизацией напряжения на шинах 220 кВ отражена на рис. 7.
Статический тиристорный компенсатор на ПС «Могоча» позволил значительно повысить надежность электроснабжения восточной части читинской энергосистемы. Вместе с тем снижение передаваемой по ЛЭП 220 кВ мощности, особенно в летний период, приводит из-за ограниченной мощности СТК к увеличению напряжения на шинах 220 кВ в некоторых режимах суточного регулирования. Кроме того, возросшая относительная доля нагрузки Железнодорожных ПС явилась причиной появления существенной несимметрии напряжений и значительных высших гармоник тока. Поэтому принято решение о дополнении СТК нерегулируемыми шунтирующими реакторами 10 кВ для смещения регулировочного диапазона в сторону потребления реактивной мощности, а также разработке и поставке нового автоматического регулятора СТК для компенсации несимметрии напряжений. В настоящее время эти доработки СТК проводятся АО ВНИИЭ и НПЦ «Энер-Ком». Отметим, что в схеме СТК, в отличие от традиционного Решения, конденсаторная часть выполнена в виде набора фильтров из-за наличия, как отмечалось выше, значительных гармоник тока местных потребителей электроэнергии. В других энергосистемах не имеющих высших гармоник тока, могут быть использовав схемы СТК переносом конденсаторной части в виде конденсатор, ной батареи на шины 110 или 220 кВ при подключении ТРГ ^ третичным обмоткам трансформаторов. Это дает возможность в режимах полной загрузки ЛЭП экономичнее использовать трансформаторы 220/110/10 кВ. Ниже рассматриваются несколько вариантов построения СТК, проработанных на стадии технического проекта.
Статический тиристорный компенсатор мощностью 2Х(±40 Мвар) предназначен для регулирования напряжения на шинах 110 или 220 кВ одной из ПС ОЭС Сибири (рис. 4) с подключением к обмоткам 10 кВ двух AT 220/110/10 кВ мощностью 200 МВ«А каждый. Схема на рис. 4,а обеспечивает плавный без задержки переход из режима генерации +80 Мвар в режим потребления —80 Мвар. Но при этом мощность ТРГ1—ТРГ4 должна быть вдвое больше мощности КБ1—КБ2. Последовательное управление ТРГ (ТРГ1-ТРГ4 или ТРГ1, ТРГЗ-ТРГ2, ТРГ4) существенно снижает гармоники тока ТРГ, которые дополнительно фильтруются с помощью КБ. Схема на рис. 6 имеет равные мощности ТРГ и КБ, но при переходе в режим потребления требует поочередного отключения КБ с небольшой задержкой в процессе регулирования реактивной мощности. Отметим, что от выключателей требуются высокая механическая стойкость и быстродействие, что обеспечивают современные вакуумные выключатели с коммутационным ресурсом до 40 000 операций. Учитывая, что такие переключения требуются не более нескольких раз в сутки, ресурса выключателей хватит на десятки лет.
В схеме на рис. 4,в добавлена вакуумно-реакторная группа ВРГ, обеспечивающая непрерывное быстродействующее регулирование Q от +80 Мвар до —80 Мвар и обратно с минимальным количеством коммутаций выключателей. При соединении ВРГ в звезду и присоединении двух частей к разным секциям шин мощность ВРГ составит 2x26 МВ-А.
Статический тиристорный выключатель управляется с помощью цифровой системы автоматического управления и регулирования (САУР), включающей в себя:

Рис. 4. Схема СТК 2X(±40 Мвар), 10 кВ

быстродействующий цифровой процессор (БЦП); f программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС);   быстродействующую память (БП);
устройство связи с объектом регулирования (УСО). Программное обеспечение повышает надежность работы САУр за счет резервирования каналов методом мажорирования. Цифровая система может быть включена в систему АСУ подстанции.
Конденсаторные батареи комплектуются чисто пленочными конденсаторами типа КЭПФ-300/6,6-У1 единичной мощностью 300 квар на напряжение 6,6 кВ. Для ограничения бросков тока при включениях КБ предусматриваются токоограничивающие реакторы, которые, как и компенсирующие реакторы L1 и L2, изготавливаются на основе провода типа Г1АЭРТ, что позволяет эксплуатировать их в условиях УХЛ1.
Тиристорные вентили имеют водяную систему охлаждения и устанавливаются в отапливаемом помещении или контейнере.
В состав комплектной поставки СТК, осуществляемой НПЦ «Энерком» по схеме 4,в, входит оборудование, перечень которого приведен в табл. 1.
Таблица 1

Компенсирующие реакторы L7, L2 устанавливаются на открытой части подстанции по два соосно по вертикальной оси. Конденсаторы в фазе КБ устанавливаются горизонтально в два ряда. На каждой фазе КБ размещается токоограничивающий реактор LT. Для тиристорных вентилей с системой управления требуется помещение площадью около 60 м². Возможна замена вентилей с водяной системой охлаждения на вентили с масляной системой охлаждения,
что позволит установить все оборудование СТК, кроме системы ,правления и защит, на открытой части ПС и тем самым уменьшить капитальные затраты.
Предлагаемая схема СТК при изменении мощности и количества модуле может рассматриваться как альтернатива синхронным компенсаторам 50, 100, 160 Мвар, подключаемым обычно на ПС к обмоткам низшего напряжения трансформаторов и автотрансформаторов.

Рис- 5. Схема СТК мощностью 250 Мвар

На рис. 5 представлена одна из схем СТК для вставки постоянного тока, связывающей две энергосистемы на уровне напряжений 500 кВ. Компенсатор включает в себя трехобмоточ- ный трансформатор 500/35/35 кВ мощностью 250 МВ*А, две тиристорно-реакторные группы ТРГ1 и ТРГ2 по 125 Мвар каждая и набор фильтрокомпенсирующих цепей или КБ, подключаемых непосредственно к шинам 500 кВ. Две группы ТРГ, электрически связанные с обмотками с разными схемами соединения, образуют двенадцатифазную группу на стороне 500 кВ. При этом в сетевом токе присутствуют гармоники тока кратностью (12к ± 1), т.е. 11, 13, 23, 25-я и т.д., которые составляют всего 1,05%; 0,75% и т.д.
Фаза ТРГ состоит из компенсирующего реактора, выполненного в виде двух полуобмоток, в рассечку между которыми включен встречно-параллельный вентиль ВТВ.
Высоковольтный тиристорный вентиль типа ВТСВП-1300/35 включает 32 соединенные последовательно тиристорные ячейки. Тиристорная ячейка состоит из двух включенных встречно-параллельно тиристоров типа Т273-1250, двух блоков управления и демпфирующей цепочки.
Блоки управления обеспечивают подачу управляющих токовых импульсов в цепь управления силовых тиристоров при поступлении запускающих световых сигналов от шкафа управления, расположенного на потенциале «земли». Длина световодов — до 50 м. С помощью блока управления осуществляется также защитное включение силовых тиристоров при появлении на них прямого напряжения, превышающего допустимый уровень.
Силовые тиристоры, резисторы демпфирующих цепочек и элементы цепей питания блоков управления каждых четырех последовательно включенных тиристорных ячеек конструктивно соединены в модули. Последовательно с каждым модулем включен групповой дроссель насыщения. Охлаждение тепловыделяющих элементов модулей осуществляется при помощи деиоиизованной воды.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ВТВ
Напряжение на запертом ВТВ (действующее значение), кВ:
номинальное.................................................................. 35
наибольшее длительное ............................................ 40
Ток через ВТВ (действующее значение), А:
номинальное значение............................................ 1300
наибольший длительный ток.............................................             1600
Максимальное значение однократного импульса тока
косинусоидальной формы длительностью 20 мс, кА ......   10
Диапазон изменения частоты, Гц............................ 49,0 + 50,2
Число избыточных тиристоров, шт....................................... 2
(При выходе одного тиристора из строя допускается длительная работа в течение двух месяцев. При выходе двух тиристоров из строя — отключение.)
Защита ВТВ от перенапряжений промышленной частоты осуществляется путем его полного открытия.
Г           ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ ТИПА Т273-1250
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии UDmt и повторяющееся импульсное обратное напряжение URRм, В.............................................. 4200
Средний ток в открытом состоянии при температуре корпуса 90°С, А 1250
Ударный ток в открытом состоянии ITSM
при максимальной температуре перехода, к А ................. 32
Диаметр шайбы, мм................................................................. 80
ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ВТВ
Суммарные отводимые потери, кВт, не более................. 80
Максимальная температура на выходе деионизованной воды, °С       47
Удельное электрическое сопротивление воды, МОм*см  1,5
Модули ВТВ размещаются в ячейках специального изоляционного каркаса один над другим. На каркасе устанавливаются также блоки управления, секции конденсаторов и дроссели. Блоки управления и секции конденсаторов подключаются к модулям при помощи жгутов. К металлоконструкциям каркаса крепятся световые коллекторы системы управления, светодиоды контроля и трубопроводы системы охлаждения.
На рис. 6 показан габаритно-установочный чертеж ВТВ. Шкаф тиристорного вентиля (ШТВ) обеспечивает управление тиристорами, получая первичные импульсы от системы регулирования, а также осуществляет:
выдачу предупредительного и защитного сигналов при исчерпывании избыточности тиристорных ячеек;
индикацию числа пробитых тиристоров и их месторасположение;
выявление числа отказавших устройств управления на потенциале вентиля и их месторасположение;
сигнализацию о неисправностях в основных устройствах ШТВ. Шкафы тиристорного вентиля питаются от сети 220 В частоты 50 Гц. Отклонения напряжения — в диапазоне от —15 до +10% номинального значения.
ПАРАМЕТРЫ АГРЕГАТА АТ-300 Агрегат обеспечивает отвод тепловых потерь
в охлаждаемых элементах, кВт........................................ до 300
Охлаждающая среда — деионизованиая вода
с Удельной электропроводностью при t=47°C, не более, мкСм/см         0,6

Рис. 6. Высоковольтный тиристорный вентиль
Расход охлаждающей воды, м³/ч
через вентили............................................................................ 30
через ионообменный фильтр............................................. до 2
Расход технической воды через теплообменник, м³/ч... 50
Температура деионизованной воды, °С
перед вентилем, не выше...................................................... 38
на выходе, не выше ................................................................ 47
Температура технической воды на входе теплообменника, С не выше ....     33
С целью защиты деиопизованной воды от контакта с кислородом воздуха и поднятия ее уровня на высоту охлаждаемых аппаратов агрегат снабжен системой азотной защиты с рабочим давлением 0,07 МПа.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ КОМПЕНСИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА (L7, L2)
(рис. 7)
Номинальное напряжение, кВ ............................................. 35
Номинальная индуктивность, мГп ................................... 2X30
Номинальный ток, А............................................................. 1200
Поминальная мощность, МВ#А............................................. 42

Рис. 7. Компенсирующий реактор
Внешний диаметр, мм............................................................. 3020
Высота одной обмотки, мм ...................................................  ] 330
Высота реактора от фундамента, мм ................................. 5775
Допустимое расстояние до замкнутого металлического контура, мм
по вертикали........................................................................ 2300
по радиусу............................................................................ 2300
Вес, кг.......................................................................................... 5750
Число слоев обмотки............................................................... 5
Примерная компоновка вентильного оборудования СТК отражена на рис. 8.
Следует отметить, что рассмотренные выше примеры построения СТК можно использовать также при проектировании регулируемых источников реактивной мощности на основе существующих конденсаторных батарей, дополняя последние тиристорно-реакторными или вакуумно-реакторными группами.

Рис. 8. Расположение тиристорной части СТК