Фазоповоротные трансформаторы. Ключи к эффективности магистральных и распределительных электрических сетей
Дата публикации: 10.09.2019
Метки:

Источник: информация из открытых интернет-источников

Фазоповоротные трансформаторы. Ключи к эффективности магистральных и распределительных электрических сетей

2019-09-10-30.jpg

Поток активной мощности в линии переменного тока зависит от угла фазового сдвига между вектором напряжения источника электроэнергии в начале линии и вектором напряжения приёмника электроэнергии в конце линии. Эту закономерность использует фазоповоротный трансформатор (ФПТ, он же фазосдвигающий трансформатор, кросс-трансформатор, Phase-Shifting Transformer, Phase Angle Regulator, Quadrature Booster), который применяется для управления потоками активной мощности в трёхфазных электрических сетях.

Стоит сразу оговориться, что подобное управление возможно только в том случае, если между источником и приёмником энергии существует несколько линий электропередачи. Тогда, принудительно изменяя величину фазового угла в одной или нескольких линиях, можно перераспределять потоки мощности между линиями электрической сети. В результате у Системного оператора и сетевых компаний появляется возможность рациональнее загружать линии, снижать послеаварийные перегрузки, избегать нежелательных перетоков энергии и т. д., повышая общую надёжность сетей. Естественное же распределение потоков мощности часто приводит к перегрузке маломощных линий и ограничению пропускной способности мощных, увеличению потерь электроэнергии и другим негативным последствиям.

ДРУЖНАЯ ПАРА

ФПТ строится на основе двух трансформаторов: параллельного и последовательного (см. рис.). Первичные обмотки параллельного трансформатора соединяются по схеме «треугольник», и напряжения в его вторичных обмотках оказываются сдвинуты по отношению к фазным напряжениям источника на 90°. Каждая вторичная обмотка снабжена блоком отпаек и заземлена в центре или на одном конце. Фазные напряжения через переключатели отпаек подаются на последовательный трансформатор, первичные обмотки которого включены по схеме «звезда» с заземлённой нейтралью. Вторичные обмотки последовательного трансформатора включаются в разрыв фазных проводов линии и добавляют к вектору напряжения источника компоненты, сдвинутые по фазе на 90°.

2019-09-10-31.jpg

Схема фазоповоротного трансформатора

Общее напряжение на выходе трансформатора равно векторной сумме напряжения источника питания и дополнительной квадратурной составляющей, а потому изменяет свою фазу относительно входного напряжения. Меняя положение переключателя отпаек, можно изменять амплитуду и полярность вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПТ, и таким образом регулировать величину угла между векторами напряжения на входе и выходе линии электропередачи, на которую нагружен фазоповоротный трансформатор.

Мощный ФПТ - это огромная конструкция. Каждый из двух трансформаторов в «сухом» виде может иметь массу до 300 т. После установки на подстанции, наполнения маслом и соединения общая масса установки нередко переваливает за 1000 т. Капитальные затраты на строительство ФПТ могут быть довольно высокими: 4-9 млн долл. за систему мощностью более 2000 МВ·А. Однако эти затраты достаточно быстро окупаются благодаря оптимизации режимов работы электросети.

МИРОВОЙ ОПЫТ

Фазоповоротные трансформаторы (в Британии их называют квадратурными бустерами, Quadrature boosters, QB) применяются в британской энергосистеме с 1969 г., когда был введён в эксплуатацию первый образец на напряжение 275 кВ. В настоящее время в стране действуют около 15 ФПТ мощностью от 750 до 2750 МВ·А с номинальными напряжениями 275 и 400 кВ.

Энергосистема королевства допускает управление потоками мощности после отключения одной или нескольких крупных ЛЭП, что позволяет повысить надёжность электроснабжения потребителей.

Французские энергокомпании с 1998 г. разрабатывают и внедряют ФПТ в собственной энергосистеме и в электрических сетях других государств. Иногда ФПТ комплектуются автотрансформатором, у которого переключатель ответвлений способен работать под нагрузкой, что позволяет в определённых пределах регулировать величину тока в линии во время её работы. Длительный опыт эксплуатации ФПТ во Франции подтвердил их эффективность для решения проблемы распределения потоков мощности.

В Нидерландах и Бельгии ФПТ в основном используются на транзитных подстанциях, связывающих национальные энергосистемы. Например, линия 220 кВ между подстанциями Chooz компании RTE и Monceau компании Elia, важная для бельгийского индустриального района Шарлеруа, может быть сильно перегружена в случаях отказов на других межнациональных ЛЭП.

ФПТ 220/150 кВ, установленный на подстанции Monceau, имеет мощность 400 МВ·А и обеспечивает диапазон регулирования фазы от -15 до +3°. Системы управления и защиты автоматически реагируют не только на команды Системного оператора, но и на различные аварийные события, такие, как удары молний, повреждения линий и выключателей.

В США и Канаде фазоповоротные трансформаторы используются для решения широкого круга задач, включая увеличение резерва мощности подстанций, ослабление взаимного влияния линий и даже для плавок гололёда. Например, ФПТ компенсирует паразитный сдвиг фаз, внесённый токоограничивающими реакторами (схема ФПТ-Р), которые срабатывают при коротких замыканиях. В некоторых случаях последовательно в линию включается блок, состоящий из двух параллельных цепей: ФПТ-Р и ФПТ-C (ФПТ, последовательно соединённый с конденсатором). Такая схема обеспечивает постоянную реактивную мощность и максимальную передачу активной мощности по линии.

В 2009 г. в Казахстане была введена в эксплуатацию межрегиональная ЛЭП 500 кВ Северный Казахстан - Актюбинская область протяжённостью 487 км. На подстанции 500 кВ Ульке впервые в СНГ был установлен ФПТ 500/220 кВ мощностью 400 МВ·А, обеспечивающий диапазон сдвига фазы 0-20°. Агрегат спроектирован и изготовлен компанией «Запорожтрансформатор».

А ЧТО У НАС?

В России до недавнего времени не было ни одного фазоповоротного трансформатора, хотя проекты по их применению разрабатывались. Ещё в 1996 г. планировали на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС установить шесть ФПТ оригинальной конструкции (кросс-трансформаторов) на номинальное напряжение 230 кВ, пропускаемую мощность 400 МВ·А и диапазон сдвига фаз ±8°.

Проект, одобренный на заседании научно-технического совета РАО «ЕЭС России», обещал 30-процентное снижение потерь в сетях 220 и 110 кВ АО «Костромаэнерго» и 50-процентное снижение потерь в саратовской энергосистеме благодаря вытеснению межсистемных перетоков из этих сетей в магистральную сеть 500 кВ.

Второй проект применения ФПТ в России родился в 2009 г. Его идея та же - перенос потоков энергии из распределительных сетей в магистральные. Но масштаб уже совсем другой. Авторы проекта предполагали по всей России снизить потери в электрических сетях в 1,4-1,5 раза и заодно обещали дополнительный экономический эффект благодаря снижению затрат на передачу электроэнергии в Европу, страны СНГ и Китай. Проект остаётся нереализованным.

И вот совсем недавно, кажется, «лёд тронулся»: на Волжской ГЭС впервые в России введён в опытную эксплуатацию фазоповоротный трансформатор, изготовленный совместным предприятием «Силовые машины - Тошиба. Высоковольтные трансформаторы». Компания «РусГидро» заменяет устаревшие и изношенные гидроагрегаты Волжской ГЭС на новые, повышенной мощности. Между тем сетевая инфраструктура не позволяет ГЭС выдавать полную мощность в энергосистему.

2019-09-10-32.jpg

Фазоповоротный трансформатор на Волжской ГЭС

Вместо реконструкции действующих и строительства новых сетевых объектов, что потребовало бы значительных затрат, было принято более эффективное решение - использование фазоповоротного трансформатора. В настоящее время ГЭС выдаёт свою электроэнергию по линиям 220 и 500 кВ. При этом пропускная способность сети 220 кВ в регионе практически исчерпана, а сеть 500 кВ имеет значительный запас. ФПТ позволит эффективно перераспределить мощность.

По данным компании, с помощью фазоповоротного трансформатора затраты на присоединение увеличенной мощности Волжской ГЭС к энергосистеме снижены в более чем 6 раз.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook
.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.