Быстрая заявка
Ваше имя:
Телефон: *
E-mail: *
Комментарий:
Главная Информация Статьи Контейнерное распределительное преобразовательно-стабилизирующее устройство

Статьи

« Назад

Контейнерное распределительное преобразовательно-стабилизирующее устройство  30.03.2018 00:00

 

В настоящее время традиционная сфера применения контейнерных подстанций расширяется и не ограничивается строительными объектами, нефтяными и газовыми месторождениями. В предлагаемой статье показана возможность расширения состава и назначения трансформаторных подстанций контейнерного исполнения. Особое внимание авторы уделяют контейнерному распределительному преобразовательно-стабилизирующему устройству (КРПСУ) и его работе в кабельных сетях совместно с резервной дизель-электрической станцией.

Контейнерное распределительное преобразовательно-стабилизирующее устройство для применения в кабельных сетях

Контейнерные подстанции (КП) на переменном и постоянном токе нашли широкое применение в системах передачи и распределения электроэнергии. КП бывают мобильные и стационарные, высокого напряжения (ВН), среднего (СН) и низкого (НН); наземного, подземного и заглубленного исполнения; трансформаторные, распределительные, генераторные и др. КП ВН выпускаются с применением КРУЭ до напряжения 245 кВ ("Сименс", АББ и др.), КП СН 10–35 кВ широко применяются с компактными КРУ с твердой изоляцией, КП НН до 1 кВ – основной вид распределительных устройств в промышленности, на транспорте и др. Трансформаторные КП до 10–35 кВ выпускаются в виде бетонных или стальных оцинкованных модулей заводского исполнения, что существенно удешевляет их изготовление и повышает надежность. Использование нетрадиционных источников электроэнергии, например ветровых, фотоэлектрических, приливных и др. установок малой и средней мощности, требует применения накопителей электроэнергии (НЭЭ) разного типа, которые также входят в состав КП [1].
Применение новых конструктивных решений, обеспечивающих модульное исполнение КРУ с применением компаундов, сшитого полиэтилена и других компонентов [2] позволило оптимизировать конструкцию КП путем снижения их объема, повышения надежности за счет полной заводской готовности, увеличения тиражированности, улучшения экологии. Рост числа техногенных и природных аварий в энергосистемах заставили мировую общественность судя по двум последним сессиям СИГРЭ рассмотреть вопросы повышения
значимости и расширения кабельных сетей (КС) как на переменном, так и особенно на постоянном токе. КС на переменном токе из-за влияния зарядной мощности, роста потерь и др. факторов ограничены длиной 30–50км, недостаточно устойчивы и управляемы сравнительно с КС на постоянном токе.

Технические характеристики КРПСУ
Номинальное входное напряжение, кВ 6,3 (+10/–15%)
Частота входного напряжения, Гц 50 (±1,5 Гц; при наличии сети ± 0,2 Гц)
Ток термической стойкости, кА 12,5
Ток электродинамической стойкости, кА 20
Номинальная мощность, кВАр 1500
Число ступеней 5
Мощность каждой ступени, кВАр 300

В результате КС на переменном токе нуждаются в применении различных средств компенсации реактивной мощности КРМ и стабилизации напряжения, особенно при наличии длинных КЛ, резко изменяющихся нагрузках, влиянии нелинейностей и др. факторах. Средства КРМ различаются на управляемые и неуправляемые, продольные и поперечные, вращающиеся и статические, дискретные и плавно регулируемые и др. В [3] из большого числа средств КРМ анализируются наиболее распространенные для КЛ дискретные управляемые устройства поперечной компенсации, которые выпускаются многими организациями под аббревиатурой АУКРМ, т. е. автоматически управляемые КРМ с числом ступеней переключения от четырех и более. Отмечается, что несмотря на меньшую установленную мощность продольной емкостной компенсации, проблема ограничения отклонения напряжения от заданного уровня по длине КЛ, значительных перегрузок по току и напряжению на конденсаторах продольной КРМ, меньшей надежности и применяемости, ограничивает распространение продольной КРМ. Большая сложность и стоимость статических КРМ на основе СТК, УШР или ТУПК, поперечного или продольного СТАТКОМ также ограничивает их применение на КЛ, в то время как на высоковольтных ВЛ применение СТК, УШР или ТУПК достаточно широко представлено не только для стабилизации напряжения, но и в первую очередь, для повышения
пропускной способности и обеспечения устойчивости. В ряде случаев как, на установках ДСП металлургических заводов, тяговых подстанциях РЖД устройства СТК или УШР абсолютно необходимы. Несмотря на известное распространение АУКРМ в КС промышленных и нефтегазовых компаний благодаря относительной простоте и невысокой стоимости существует ряд переходных режимов, связанных с возникновением феррорезонансных колебаний, гармоник и субгармоник особенно при нелинейных нагрузках и неполнофазных режимах.

Пример разработки КП

Использование в КС резервных источников в виде дизельных или газотурбинных электростанций (соответственно РДЭС или РГТЭС) в свою очередь порождает ряд особенностей, связанных с переходом от режимов ретрансляции к режиму автономной работы и обратно, переходу от холостого хода к режимам переменной нагрузки, необходимости периодической прокрутки валов источников с использованием нагрузочных устройств (НУ) контейнерного исполнения. В результате возникает необходимость разработки новых устройств, таких как контейнерное распределительное преобразовательно-стабилизирующее устройство КРПСУ, которое должно совместно работать с НУ, обеспечивая прокрутку валов источников и возможное демпфирование колебаний в КС при переходных режимах.

Принципиальная схема КРПСУ Рисунок 1
Рисунок 1

Технические характеристики КРПСУ

КРПСУ с обозначением КРПСУ-БК 6,3-1500 УХЛ1 IP54 выпускается в утепленном блок-контейнере БК с предельной массой 10т и габаритами 2,4×12×2,7м при допустимой температуре окружающего воздуха от –60 до +40 °C и относительной влажности 75%.
Распределительное устройство РУ 6 кВ в составе 5 ячеек КСО 6,3 кВ для ввода, присоединения КРМ, нагрузочного устройства НУ, измерительного трансформатора ТН, резерва.
Шкаф собственных нужд напряжением 220 В, мощностью 5 кВт для питания оперативного тока и передачи сигналов управления и сигнализации от РДЭС по протоколу RS485.
В комплект поставки входят: блок-контейнер, компенсатор КРМ-6,3-1500-300, 5 ячеек КСО, шкаф собственных нужд ШСН, конструкторская и эксплуатационная документация, комплект ЗИП и ключи от дверей. В состав двухсекционной подстанции 6 кВ РДЭС входят два КРПСУ для комплектования каждой секции.

Сборочный чертеж КРПСУ Рисунок 2
Рисунок 2
Боковые проекции КРПСУ Рисунок 3
Рисунок 3
Структурная схема КРПСУ Рисунок 4
Рисунок 4
Схема электрических соединений КРПСУ Рисунок 5
Рисунок 5
Схема замещения кабельной сети Рисунок 6
Рисунок 6

Состав и схемотехника КРПСУ

Принципиальная схема каждого КРПСУ представлена на рис. 1, где вверху показан состав и подключение ячеек КСО к одной из секций 6,3 кВ РДЭС, внизу – состав и подключение 5 секций АУКРМ-6,3-1500-300 с использованием вакуумных контакторов КВТ 10 кВ, шунтовых конденсаторов КВП мощностью 300 кВАр с токоограничивающими реакторами РТ-6,3-900. Блок автоматики и регулятор РКМ8 входит в состав АУКРМ. Подключение нагрузочного устройства НУ показано справа от 4 ячейки КСО. Все оборудование отечественного производства, но может допускать изменения по требованию заказчика, в том числе раздельное выполнение КРПСУ в двух контейнерах меньшей размерности для удобства компоновки и обслуживания.

На рис. 2 показан сборочный чертеж КРПСУ в составе трех основных сборочных единиц: блок-контейнера БК, пяти ячеек КСО-298, пяти ступеней компенсатора АУКРМ и инфраструктуры БК, обеспечивающей освещение, обогрев, вентиляцию, сиг-контур и др. Оборудование заносится через ворота в торце БК.
Персонал пользуется дверью в боковой стене БК (рис. 3). На этом же рисунке показаны виды сбоку и с торцов на КРПСУ, причем на верхнем чертеже показано расположение ячеек с размещением панели индикации ступеней АУКРМ, в которой устанавливается регулятор РКМ8 и амперметры индикации токов фаз компенсатора. На рис. 4 приведена структурная схема КРПСУ, на которой ячейка 2 компенсатора соединена внешним кабелем с ячейкой 2 КСО. Ячейка 1 КСО связана внешним кабелем с секцией 6 кВ РДЭС, причем все кабели подключаются к нижним контактам разъединителей РВЗ в ячейках КСО. Ячейки 3 и 5 КСО присоединены через внешние кабели к шкафу ШСН, а связь ячейки 2 КРМ с пультом диспетчера организована по каналу RS485.

На рис. 5 показана схема электрических соединений КРПСУ с использованием внешних кабелей, проложенных между РДЭС, КРПСУ и НУ. КРПСУ может работать в двух режимах: местном и дистанционном. Выбор числа коммутируемых ступеней компенсатора осуществляется автоматически с помощью регулятора РКМ-8. Взаимодействие между сетью, РДЭС, НУ и КРПСУ и распределенной нагрузкой осуществляется со стороны диспетчера или автоматически через АРМ РДЭС. Возможные режимы работы кабельной сети:
а) ретрансляция питания от сети через шины РДЭС и КРПСУ к распределенной нагрузке (дизеля и НУ отключены);
б) автономный режим с отключением от сети РДЭС, которая работает на распределенную нагрузку, при этом НУ отключено;
в) режим поочередных прокруток дизелей на НУ. Режим ретрансляции – основной для КРПСУ, регулятор которого может в свою очередь работать в трех режимах: поддерживая оптимальный cosϕ на уровне 0,95, либо tgϕ на уровне 1,4, либо стабилизируя установившееся отклонение напряжения на шинах РДЭС в пределах от ±5%. Первый режим позволяет экономить электроэнергию за счет снижения перетока реактивной мощности к распределенной нагрузке, а второй и третий обеспечивают надлежащее качество напряжения на шинах потребителей. КРПСУ дает возможность осуществить местное или дистанционное переключение указанных способов.

Кривые переходных режимов при переключении ступеней компенсации КРПСУ Рисунок 7
а) напряжения U, кВ
Рисунок 7_а
б) тока I, кА
Рисунок 7_б
в) мощности P, МВт и Q, Мвар питающей сети
Рисунок 7_в
г) мощности P, МВт и Q, Мвар нагрузки
Рисунок 7_г
Зависимость U1 (о.е.) от мощности нагрузки Sн (кВА) при номинальном входном напряжении сети Рисунок 8
Рисунок 8

Моделирование и эффективность КРПСУ

Вариант применения поперечной компенсации реализуется с помощью устройств автоматически управляемого компенсатора реактивной мощности АУКРМ, который широко применяется для повышения пропускной способности КЛ напряжением до 10 кВ контейнерного исполнения и широко представлен на рынке. Указанное устройство позволяет стабилизировать напряжение даже при значительной нагрузке, хотя и уступает по ресурсу и быстродействию СТК и СТАТКОМ, но выигрывает по стоимости и отсутствию гармонических искажений. На рис. 6 приведена однолинейная схема замещения кабельной сети напряжением 6 кВ длиной до 10 км с КРПСУ (ниже КУ) мощностью 1500 кВАр с пятью ступенями по 300 кВАр, управляемую регулятором, стабилизирующим напряжение распределенной нагрузки в узле Uн мощностью до 4000 кВА, переключаемую ступенями по 1000 кВА. Там же показаны с подключением в узле U1 нагрyзочное устройство НУ и РДЭС. На рис. 7 приведены кривые установившегося и переходного режима при переключении ступеней компенсации в виде зависимостей напряжения U, тока I, активной (P) и реактивной (Q) мощности в узле U1, полученные в программном комплексе ATP [9].
Видно, что применение устройства КРПСУ позволяет обеспечить приемлемое качество установившихся и переходных режимов, не приводя к перегрузке КЛ по току. В соответствии с [10], реактивная мощность компенсирующего устройства Qку при схеме соединения звезда определяется формулой:

Формула [1]

фомула 1

где Uл, Uф – соответственно действующее значение линейного и фазного напряжений, Cку – емкость КУ, ω = 2πf – круговая частота.

Потери напряжения по длине КЛ без КУ – ΔU1 определяются выражением:

Формула [2]
фомула 2
где P и Q – соответственно активная и реактивная мощность нагрузки, R и X – активное и реактивное сопротивление КЛ. Потери напряжения при наличии КУ – ΔU2
Формула [3]
фомула 3
Потери мощности в КЛ ΔP определяются выражением:
Формула [4]
фомула 4
Мощность компенсирующего устройства Qку определяется выражением:
Формула [5]
фомула 5
т. е. Qку – переменная величина и зависит от тока нагрузки. Уменьшение потерь напряжения без КУ – ΔU1 и с компенсацией ΔU2 равно:
Формула [6]
фомула 6

Из выражения (6) следует, что уровень напряжения повышается на величину, пропорциональную изменению реактивной нагрузки Q при неизменном значении Xку.
Распределенная нагрузка коммутируется ступенями и в соответствии с их переключением КРПСУ осуществляет автоматическое переключение каждой из своих ступеней. Дискретное переключение ступеней КРПСУ, а также ступеней НУ позволяет уменьшить интервалы переключения ступеней за счет дополнительной разрядки конденсаторов и задемпфировать колебания на рис. 7. На рис. 8 показаны графики изменения напряжения [о.е.] на шинах РДЭС при ступенчатом изменении нагрузки в диапазоне 4000 кВА. Нижняя кривая соответствует отсутствию КРПСУ, и сниженное до 0,7 о.е. напряжение должно быть отключено защитой от снижения напряжения. Верхняя кривая показывает возможность регулирования и стабилизации напряжения в заданном диапазоне при наличии КРПСУ.
Следует отметить, что полноценное регулирование напряжения при наивысшем входном напряжении сети требует наряду с КРМ использования шунтирующего реактора ШР. Однако, в данном случае может быть использовано как отключение КРМ, так и кратковременное подключение НУ взамен КРМ. Обычно подобные режимы возникают при сбросе распределенной нагрузки при повышенном напряжении на входе сети. Оборудование КС напряжением 6 кВ допускает длительную работу с перегрузкой по напряжению 20%, и в случае отключения нагрузки проблема стабилизации снимается, а для переходных режимов подключение НУ взамен КРПСУ также снимает проблему ограничения напряжения. Аналогичные вопросы возникают при переходе от режимов ретрансляции и автономной работы или в случае неполнофазных режимов, когда НУ оказывает демпфирующее влияние на возникшие колебания в КС. В этом случае диспетчер или АРМ дистанционно подключает НУ и задает необходимое число его ступеней для выбора оптимального демпфирования.
Реализация быстродействующей трехфазной цифровой модели в реальном масштабе времени на основе схемы, представленной на рис. 6, с учетом параметров РДЭС позволит диспетчеру или АРМ оптимизировать по быстродействию и качеству переходного режима переключение ступеней нагрузки и КРПСУ в процессе регулирования и стабилизации напряжения.

ВЫВОДЫ

Расширение состава контейнерных трансформаторных подстанций способно улучшить характеристики кабельных сетей. Так, применение контейнерного распределительного преобразовательно-стабилизирующего устройства КРПСУ совместно с резервной ДЭС, нагрузочным устройством и дискретно изменяющейся нагрузкой дает возможность регулировать и стабилизировать напряжение. Применение на диспетчерском пункте быстродействующей цифровой модели кабельной сети, учитывающей КРПСУ, позволяет оптимизировать в реальном масштабе времени переключение режимов ретрансляции и автономной работы резервной ДЭС.

Фотография БК

  КРПСУ для статьи от ВП-АЛЬЯНС

Фотография с объекта  

КРПСУ_1 для статьи от ВП-АЛЬЯНС

Разработка:
ВЭИ – филиал ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ им. академ.
Е.И. Забабахина»», г. Москва
ГК "ВП-АЛЬЯНС" - ООО "АЭС", г. Королев