Розробка та дослідження Simulink-моделі керованого шунтуючого реактора в програмному середовищі Matlab

Солод, Андрій Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7837

Title:	Розробка та дослідження Simulink-моделі керованого шунтуючого реактора в програмному середовищі Matlab
Authors:	Яценко, Ірина В'ячеславівна Солод, Андрій Володимирович
Keywords:	керований шунтуючий реактор;автоматичне повторне включення;комп'ютерне моделювання;лінії електропередач
Issue Date:	Dec-2023
Abstract:	Перший розділ присвячений аналізу існуючих керованих шунтуючих реакторів, які входять до складу електроенергетичних систем та процесам, що відбуваються в їх електричній частині. Другий розділ присвячений розробці Simulink-моделі керованого шунтуючого реактора в середовищі Simulink (Matlab). Ґрунтуючись на перевірці адекватності моделі, доведено, що розроблена модель КШР, відповідає оригіналу і придатна для аналізу комутаційних і динамічних процесів в реакторі під час його роботи в енергосистемі. Simulink-моделі створена на основі реальної конструкції КШР, які використовуються в даний час в схемних рішеннях систем електропостачання України та близького зарубіжжя. Особливістю даної моделі є врахування характеристики намагнічення сталі, яка використовується в магнітній системі реактора. У третьому розділі досліджено вплив керованих шунтуючих реакторів на процеси, що протікають у циклі автоматичного повторного включення ліній електропередач. Дослідження впливу керованих шунтуючих реакторів на процеси у циклі АПВ проводилися з використанням розробленої імітаційної моделі не лише для оцінки можливості самозагасання струму підживлення дуги в місці КЗ, а і для вибору спеціальних заходів, що забезпечують її гасіння. Четвертий розділ присвячений розробці заходів щодо збільшення ефективності застосування КШР 110 кВ в електричних мережах. Аналіз результатів дослідження проведені на розробленій Simulink-моделі КШР 25 МВАр 110 кВ свідчать про те, що непропорційне збільшення струму в обмотці управління та мережевій обмотці викликане перехідними процесами, які виникають в секціях мережевої обмотки, і відповідно в її нейтралях при набиранні реактором потужності.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7837
Appears in Collections:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Солод.pdf Restricted Access		3.32 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИСТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА
МАШИНОБУДУВАННЯ
Кафедра електротехнічних систем

«До захисту допущено»
Зав. кафедри ЕТС
__________ О.О. Ситник
(підпис) (ініціали, прізвище)
«___»___________2023 р.

Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра

на тему:
«Розробка та дослідження Simulink-моделі керованого шунтуючого
реактора в програмному середовищі Matlab»

Виконав: здобувач вищої освіти _2_ курсу, групи ЕСЕ-022
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Солод Андрій Володимирович ______________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)

Науковий д.т.н., професор Яценко І.В. ______________
керівник (вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис)

Нормоконтроль _к.т.н., доцент Ключка К.М.__ ______________
(вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис)

Черкаси 2023 р.
3
РЕФЕРАТ

По структурі робота складається зі вступу, чотирьох розділів основної
частини, висновків основних результатів дослідження. Загальна кількість
сторінок – 93, рисунків – 60, таблиць – 3, використаних літературних джерел
– 51.
Метою роботи є розробка способів і алгоритмів ефективнішого
використання керованого шунтуючого реактора в електричній мережі на
основі імітаційного моделювання.
Завдання дослідження:
1. Розробити Simulink-моделі у програмному середовищі моделювання
Matlab.
2. На основі Simulink-моделі дослідити вплив КШР на
електросистему. Розробити аналітичні вирази, які визначаючі ефективність.
3. Дослідити перехідні процеси в реакторі і розробити на їх основі
заходи, що дозволять забезпечити надійність устаткування реактора.
Перший розділ присвячений аналізу існуючих керованих шунтуючих
реакторів, які входять до складу електроенергетичних систем та процесам,
що відбуваються в їх електричній частині.
Другий розділ присвячений розробці Simulink-моделі керованого
шунтуючого реактора в середовищі Simulink (Matlab). Ґрунтуючись на
перевірці адекватності моделі, доведено, що розроблена модель КШР,
відповідає оригіналу і придатна для аналізу комутаційних і динамічних
процесів в реакторі під час його роботи в енергосистемі. Simulink-моделі
створена на основі реальної конструкції КШР, які використовуються в даний
час в схемних рішеннях систем електропостачання України та близького
зарубіжжя. Особливістю даної моделі є врахування характеристики
намагнічення сталі, яка використовується в магнітній системі реактора.
У третьому розділі досліджено вплив керованих шунтуючих реакторів
на процеси, що протікають у циклі автоматичного повторного включення
4
ліній електропередач. Дослідження впливу керованих шунтуючих реакторів
на процеси у циклі АПВ проводилися з використанням розробленої
імітаційної моделі не лише для оцінки можливості самозагасання струму
підживлення дуги в місці КЗ, а і для вибору спеціальних заходів, що
забезпечують її гасіння.
Четвертий розділ присвячений розробці заходів щодо збільшення
ефективності застосування КШР 110 кВ в електричних мережах. Аналіз
результатів дослідження проведені на розробленій Simulink-моделі КШР 25
МВАр 110 кВ свідчать про те, що непропорційне збільшення струму в
обмотці управління та мережевій обмотці викликане перехідними процесами,
які виникають в секціях мережевої обмотки, і відповідно в її нейтралях при
набиранні реактором потужності.
Ключові слова: керований шунтуючий реактор; автоматичне повторне
включення; комп'ютерне моделювання; компенсація реактивної потужності;
імітаційна Simulink-модель; лінії електропередач.

5
ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І
ТЕРМІНІВ ................................................................................................................ 6
ВСТУП ..................................................................................................................... 7
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ КЕРОВАНИХ ШУНТУЮЧИХ РЕАКТОРІВ
І ПРОЦЕСІВ, ЩО ВІДБУВАЮТЬСЯ В ЇХ ЕЛЕКТРИЧНІЙ ЧАСТИНІ ........ 13
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА SIMULINK-МОДЕЛІ КЕРОВАНОГО ШУНТУЮЧОГО
РЕАКТОРА В ПРОГРАМНОМУ СЕРЕДОВИЩІ MATLAB ..................................... 21
2.1 Основні припущення ...................................................................................... 21
2.2 Конструкція фази КШР .................................................................................. 22
2.3 Розробка моделі КШР в середовищі Simulink (Matlab) .............................. 23
2.4 Висновки до розділу 2 .................................................................................... 51
РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КШР НА ПРОЦЕСИ, ЩО
ПРОТІКАЮТЬ У ЦИКЛІ АВТОМАТИЧНОГО ПОВТОРНОГО
ВКЛЮЧЕННЯ ЛІНІЙ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ...................................................... 52
3.1 Спрощена модель процесів при безструмовій паузі АПВ .......................... 52
3.2 Вплив відновлюючої напруги відключеної фази лінії після загасання дуги
на ефективність паузи АПВ ................................................................................. 53
3.3 Оцінка кратності відновлюючої напруги при відключенні фази КШР ..... 53
3.4 Оцінка кратності відновлюю чого значення напруги при шунтуванні
трикутника компенсаційної обмотки фази КШР ............................................... 55
3.5 Висновки до розділу 3 .................................................................................... 65
РОЗДІЛ 4. РОЗРОБКА ЗАХОДІВ ЩОДО ЗБІЛЬШЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ЗАСТОСУВАННЯ КШР 110 КВ В ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ ........................ 67
4.1 Розробка заходів, що дозволяють збільшити швидкодію КШР 110 кВ .... 70
4.2 Аналіз напруг, які виникають на виводах обмотки управління при подачі
напруги на КШР 110 кВ ........................................................................................ 80
4.3 Висновки до розділу 4 .................................................................................... 84
ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 86
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 89
6
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

ШР – шунтуючий реактор;
КШР – керований шунтуючий реактор;
КШРТ – керований шунтуючий реактор трансформаторного типу;
ПТК – протипаралельний тиристорний клапан;
СШП – спеціальні шунтуючі перетворювачі;
АПВ – автоматичне повторне включення;
МО – мережева обмотка;
КО – компенсаційна обмотка;
ОУ – обмотка управління;
ВО – вентильна обмотка;
АСУ – автоматизована система управління;
КР – компенсаційний реактор;
ТМП – трансформатор для живлення напівпровідникового перетворювача;
ПЛ – повітряна лінія;
ЛЕП – лінії електропередач;
ІМ – імітаційна модель;
НО – нелінійні опори;
СКРП – статичний компенсатор реактивної потужності.

7
ВСТУП

Проблематика і актуальність. З моменту промислового виготовлення
і впровадження першого керованого шунтуючого реактора (КШР) минуло
вже більше двадцяти років [16, 21, 23]. На даний момент досвід використання
КШР налічує більше 80 одиниць на різні класи напруги. В той же час
звичайні реактори можуть негативно впливати на роботу системи через
збільшення втрат активної потужності [11, 13, 14]. Основним недоліком
традиційних реакторів є проблема, пов'язана з низькою здатністю
перемикання [42-44]. Запобігання від перенапруг робить необхідним
включення реакторів незалежно від переданої потужності, що призводить до
зниження пропускної спроможності системи. До теперішнього часу в Україні
розроблений принципово новий тип шунтуючих реакторів, які
контролюються намагніченням з потужністю до 180 МВА та напругою до
500 кВ [12]. Конструкція реакторної фази представляє собою трансформатор
з рознесеним стержнем. Через затрати на матеріали для виготовлення,
реактор практично нічим не відрізняється від двохобмоткового
трансформатора аналогічної потужності і напруги. Основним технологічним
принципом пов'язаним з розробкою керованого реактора, є те, що реактор є
трансформаторним пристроєм, який додатково виконує функції
напівпровідникового ключового пристрою, завдяки роботі магнітних
стержнів реактора в області насичення [45]. Техніко-економічний аналіз
показує, що найбільш ефективним способом компенсації реактивної
потужності є підтримка необхідного рівня напруги в лініях надвисокої
напруги та зниження втрат із використання керованих шунтуючих реакторів
(КШР), а також СШП в комбінації з конденсаторними батареями, які
дозволяють створювати гнучку передачу змінного струму через значну
протяжність ліній електропередач [1]. Тому, з врахуванням специфіки
побудови електричних мереж в Україні керовані шунтуючі реактори
знаходять широке застосування по всій її території.
8
Велика протяжність електричних мереж України та Європи, а також
суттєва зміна навантаження викликають значне збільшення напруги щодо
номінального значення в режимі мінімального навантаження через
надлишкову реактивну потужність, що генерується лініями передач. В зв'язку
з цим є значні втрати потужності, примусові перемикання устаткування, а
також старіння його ізоляції. Некеровані шунтуючі реактори (ШР) є одним з
надважливим елементом довгих ліній електропередач [1, 26, 47].
Крім того, слід зазначити, що не лише невірна оцінка співвідношення
параметрів лінії та параметрів реактора, але і неправильна розробка
алгоритмів управління КШР може призвести до небажаних наслідків, до яких
можна віднести не лише автоматичне повторне включення (АПВ) лінії з
КШР, а і пошкодження устаткування, що входить до складу реактора.
Використання двонаправлених шунтуючих реакторів дозволяє
використовувати систему передачі енергії з прийнятною межею стійкості як
для однонаправленої, так і зворотної передачі енергії [30]. Реактивна
потужність, що споживається контрольованою енергією у будь-якому режимі
роботи силової лінії, може бути узгоджена із потоком потужності по лінії
[28]. В цьому випадку пропускна спроможність лінії обмежується тільки
допустимим значенням струму, який протікає через провідники. Практика
експлуатації КШР в лініях електропередач свідчить про те, що застосування
універсальних алгоритмів управління, які традиційно закладаються в
автоматизацію реактора, може привести до невдалого трифазного АПВ лінії
[8, 39, 40]. Пов'язано це з тим, що необхідний рівень попереднього
підмагнічування для включення КШР в мережу досягається за набагато
більший час, ніж час безструмової паузи. Збільшення часу АПВ лінії може
привести до порушення динамічної стійкості електричної системи. На
відміну від традиційного рішення, а саме використання трансформатора
зв'язку з протипаралельним тиристорним клапаном (ПТК), при роботі КШР
на повну потужність використовується певний трансформаторний пристрій в
якому індуктивність обмоток відіграє роль реактора [4, 15 ]. КШР на відміну

9
від ПТК, не вимагає встановлення потужних фільтрів з високою гармонікою
для забезпечення якості напруги [36]. Надійність роботи КШР вища, а
витрати на обслуговування нижчі, ніж для ПТК, тобто практично такі ж, як
при експлуатації трансформаторного устаткування. В результаті собівартість
КШР також значно нижче, ніж біля ПТК. Таким чином, магнітокерованими
шунтуючими реакторами є високовольтні, потужні (до декількох сотень
МВА, 500 кВ) трифазні феромагнітні котушки із змінним індуктивним
опором. Зміна індуктивності КШР для досягнення магнітної системи, яка
контролюється величиною магнітних потоків. Останніми роками Україна
освоїла виробництво контрольованої намагніченості реакторів в діапазоні
потужності від 190 кВА до 180 МВА для всіх класів напруги від 6 до 500 кВ
[12]. Шунтуючі реактори, які керуються зрушенням фаз є потужними
трифазними магнітними підсилювачами. Відмітимо, що по конструктивній і
технологічній електромагнітній частині КШР є звичайним трифазним
трансформатором, аналогічним по виробництву, монтажу і технічному
обслуговуванню в експлуатації. Таким чином, розробка алгоритмів
управління КШР дозволить знизити час забезпечення готовності реактора до
включення, а також розробити заходи щодо включення реактора без його
попереднього підмагнічування.
В результаті плавне регулювання кількості споживання енергії
отримується від номінальної вартості, або відповідно до режимів роботи.
Допускається допустима надлишкова потужність реактора до 120% і
короткочасне перевантаження реактора до 200% від номінального значення
[29].
Основні функціональні можливості трифазних керованих шунтуючих
реакторів з максимальним насиченням магнітного ланцюга включають
наступне [12]:
- Широкий діапазон плавного управління (від неробочого до
номінального або максимально допустимого) з необмеженою кількістю
переходів до необхідного значення споживання енергії.
10
- Можливість тривалого перевантаження на 20% і короткочасне
перевантаження на 100%.
- Ступінь нелінійного спотворення в мережевому процесорі залежно
від вимог і рівня техніки може бути зменшена з 4% до 1% від номінального
струму мережевої обмотки. Такий комплекс є підходом до повної заміни
синхронного компенсатора.
- При відповідному збільшенні потужності вторинної обмоток
навантаження власних потреб або інше активне навантаження підстанції
можна підключити до її клем (тобто, реактор об'єднує функції
трансформатора).
- Склад реакторного устаткування залежно від мети і вимог може
містити додаткове устаткування (фільтри, перемикачі, конденсаторні
установки, засоби дугогасіння тощо).
- Постійна часу для регулювання потужності (швидкість) за бажанням
замовника або місця підключення може варіюватися від 0,1 до 1 с. При
необхідності набір потужності при включенні або подвійному натисненні
виконується без інерції (протягом одного періоду промислової частоти).
Пов'язано це з тим, що необхідний рівень попереднього
підмагнічування для включення КШР в мережу досягається за набагато
більший час, ніж час безструмової паузи. Збільшення часу АПВ лінії може
привести до порушення динамічної стійкості електричної системи. Таким
чином, розробка алгоритму управління КШР, що дозволяє знизити час
забезпечення готовності реактора до включення, або розробка заходів, які
дозволяють відмовитися від заборони заводу виробника на включення
реактора без його попереднього підмагнічування. Для управління магнітним
підсилювачем потрібна потужність на 2-3 порядки менше первинної
потужності, зміщення представляє собою трифазний трансформатор з
тиристорною випрямною потужністю 1-2% від номінальної потужності КШР.
Трансформатор з перетворювачем, як і електромагнітна частина реактора,
представляє собою заповнене маслом устаткування, яке не вимагає

11
особливих умов або підготовки персоналу при проектуванні, монтажі і
експлуатації устаткування [37, 38]. Система автоматичного управління СШП
з вбудованим мікропроцесором в стандартній шафі внутрішньої системи,
забезпечує виконання необхідних алгоритмів управління для забезпечення
стабілізації напруги в точці підключення реактора або його заданої
потужності (або іншого алгоритму управління, вказаного потужністю
системи).
Досвід застосування керованих реакторів 110 кВ дозволяє
стверджувати, що на початкових етапах застосування КШР, вони
встановлювалися виключно з метою стабілізації напруги в точці підключення
[24, 25, 26, 32, 36].
Для забезпечення можливості дослідження вказаних проблем КШР
необхідно створювати математичні та імітаційні моделі, які відображають
реальні процеси, що протікають в реакторі та енергосистемі [19, 21, 33].
Таким чином, розробка Simulink-моделі КШР в середовищі Simulink, що
відповідає натурним випробуванням є актуальним завданням.
Метою роботи є розробка способів і алгоритмів ефективнішого
використання керованого шунтуючого реактора в електричній мережі на
основі імітаційного моделювання.
Завдання дослідження:
1. Розробити Simulink-моделі у програмному середовищі моделювання
Matlab.
2. На основі Simulink-моделі дослідити вплив КШР на
електросистему. Розробити аналітичні вирази, які визначаючі ефективність.
3. Дослідити перехідні процеси в реакторі і розробити на їх основі
заходи, що дозволять забезпечити надійність устаткування реактора.
Об'єкт дослідження. Шунтуючий реактор.
Предмет дослідження. Електромагнітні перехідні процеси в
шунтуючих реакторах.
Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань
12
використовувалися методи статистичної обробки інформації, методи
математичного та комп'ютерного моделювання.
Наукова новизна в роботі:
- встановлено, що для дослідження і розробки Simulink-моделі
керованого шунтуючого реактора у складі електроенергетичної системи
необхідно перевіряти узгодженість отриманих моделей КШР і порівнювати
результати з осцилограмами, отриманими під час моделювання. В ході
дослідження особлива увага була приділена відповідності взаємозв'язаних
значень в обмотці управління, мережевій обмотці при дослідженні в різних
режимах, а також залежно від характеристик швидкості в режимах
примусового набирання і скидання потужності;
- проаналізовано результати моделювання повної готовності
потужності з максимальною швидкістю, які вказують ефективне значення
усталеного струму в мережевій обмотці, що складає 282 А, а струм в обмотці
управління складає 2010 А, час набирання потужності складає 0,279 сек. При
проведенні повномасштабних випробувань заводом-виробником ПрАТ
«ЗТР» аналогічні параметри складали 274 А, 2079 А і 0,268 секунд
відповідно. Таким чином, відхилення результатів моделювання від
результатів випробування не перевищує 5%;
- ґрунтуючись на перевірці адекватності отриманої Simulink-моделі,
доведено, що розроблена модель типу КШР, відповідає оригіналу і придатна
для аналізу комутаційних і динамічних процесів в реакторі під час його
роботи в енергосистемі. Simulink-модель створена на основі реальної
конструкції КШР, які використовуються в даний час в схемних рішеннях
систем електропостачання України та близького зарубіжжя. Особливістю
даної моделі є врахування характеристики намагнічення сталі, яка
використовується в магнітній системі реактора.
Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження
магістерської роботи були обговорені на студентській науково-практичній
конференції ЧДТУ, яка відбувалася 16-19 квітня 2018 р.

13
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ КЕРОВАНИХ ШУНТУЮЧИХ РЕАКТОРІВ І
ПРОЦЕСІВ, ЩО ВІДБУВАЮТЬСЯ В ЇХ ЕЛЕКТРИЧНІЙ ЧАСТИНІ

На рис. 1.1 показана магнітна система трифазного шунтуючого
реактора, а на рис. 1.2 показана електромагнітна схема трифазного
триполюсного реактора серії РТУ на напругу 220 кВ і вище [12]. Осердя всіх
фаз магнітного ланцюга розділені на два стержня, на кожному з яких
розташовані ділянки компенсаційної обмотки, які з'єднані в трикутник. У
верхній частині секції управління розташовані секції керуючої обмотки, які
включені в кожну фазу послідовно з обмотками МО і КО (початок секцій
обмоток позначено зірочкою). Виводи всіх фаз операційного підсилювача
з'єднані паралельно і підключені до клем ТМП-перетворювачів. Кожна фаза
мережевої обмотки (МО) виконується паралельними гілками зі вставкою
посередині і намотується поверх вторинних обмоток з охопленням обох
стержнів.

Рис.1.1. Магнітна система КШР із підмагнічуванням
14

Рис. 1.2. Електромагнітна схема та система автоматичного управління
трифазного триобмоткового КШР

Рис. 1.3. Розріз магнітної системи однієї фази КШР 500 кВ

15
Так як у тиристорах, струм зміщення в секціях керуючих обмоток
збільшується [10, 15], що приводить до насичення осердя магнітного ланцюга
і зростання споживання струму реактора. Управління тиристорами
відбувається з цифрової системи автоматичного управління відповідно до
вибраного алгоритму стабілізації напруги або відповідно до заданого
значення споживаної потужності. Для реалізації цих алгоритмів АСУ
приймає сигнали від трансформаторів напруги і струму, а також від систем
управління. Після вибору режиму і встановлення необхідної кількості дій в
автоматичному режимі роботи реактора не потрібний. На рис. 1.4 приведена
повна схема електричних з'єднань реактора 500 кВ однофазного виконання.
Магнітна система не показана, але як і на рис. 1.4, зображена система
намагнічення трьох ТМП (трансформатор для живлення тиристорного
напівпровідникового перетворювача) та система управління. Крім того,
постачання включає датчики постійного струму і напруги (ДПТ, ДПН).
На схемі, приведеній на рис. 1.4 представлено наступне устаткування,
що входить до складу комплексу КШР серії РТУ-180000/500-УХЛ1:
1 РОДУ – 600000/500 – електромагнітна частина РТУ-180000/500;
2 ТМД – трансформатор динамічних режимів, 1000 кВА, 6(10) /1,1 кВ;
3 ТМО – основний трансформатор статичних режимів 1000 кВА, 10/0,40 кВ;
4 ТМР – резервний трансформатор статичних режимів 1000 кВА,10/0,40 кВ;
5 ППО, ППС, ППД – напівпровідникові трифазні керовані перетворювачі;
6 САУ – система автоматичного управління;
7 ДПТ – датчик постійного струму;
8 ДПН – датчик постійної напруги;
9 ОПН – захисний пристрій.
Датчик постійного струму, включений у виріз будь-якого полюса
шини, являє собою випрямляч струму між всіма ТМП і РОДУ і призначений
для управління і обмеження струму зміщення САУ від будь-якого
працюючого ТМП. Як згадувалося вище КШР 500 кВ можуть бути
16
виготовлені як в трифазному виконанні потужністю 180 МВА, так і у вигляді
групи однофазних реакторів потужністю 60 МВА.
Окрім основного складу устаткування КШР (САУ, ТМП), особливо для
лінійних КШР, при необхідності можуть застосовуватися компенсаційні
реактори (КР), які встановлюються в нейтраль мережевої обмотки КШР, а
також додаткові вимикачі на кожну фазу, що встановлюються між фазами
компенсаційної обмотки. Необхідність встановлення КР і вимикачів
обумовлена участю лінійних шунтуючих реакторів (ЛУШР) у циклах АПВ,
але їх вибір повинен здійснюватися тільки на підставі розрахунків
неповнофазних режимів.

Рис. 1.4. Схема з'єднань КШР 500 кВ однофазного виконання

17
Трансформатори ТМП мають однакову потужність і схему з'єднання
«зірка-нуль-трикутник», що дозволяє включати їх первинну обмотку як з
ізольованою, так із заземленою нейтраллю. Для ТМП, підключених до
компенсаційної обмотки реактора, в більшості випадків використовується
ввімкнення первинної обмотки силового трансформатора на глухозаземлену
нейтраль, тим самим це забезпечує захист від великих струмів замикання на
землю, а також збільшує чутливість пристроїв захисту та автоматики при
міжфазних та однофазних коротких замиканнях.
Вбудовуються тиристорні перетворювачі з ТМП в окремому масляному
баку та виконуються по відомій схемі «Ларіонова» з додатковою шунтовою
гілкою, яка використовується при роботі трифазного випрямно-інверторного
перетворювача при роботі на індуктивне навантаження [15].
Необхідно відзначити, що використання для регулювання потужності в
КШР трансформаторно-перетворювального блоку малої потужності (1%
номінальній потужності реактора), накладає на устаткування, що входить до
складу реактора і алгоритми його управління, особливі вимоги при
застосуванні КШР на лінії. Проведені на ряді мережевих об'єктів
експерименти вченими показують, що комутація реактора може вивести з
ладу напівпровідниковий перетворювач ТМП [1, 11, 16, 19, 26, 45, 48, 49].
Якість напруги в енергосистемі залежить від ряду чинників: значення
використаної потужності не постійне, принаймні, протягом року і протягом
дня [24]. Відповідно до цього необхідна зміна режиму виробництва
електроенергії та передачі її по лінії. В разі передачі потужності по лінії, її
поле компенсується. При передачі меншої потужності по звичайній лінії,
вона генерує надлишкову реактивну потужність [40, 41]. У незайнятій фазі
генерується максимальна кількість реактивної потужності. У міру того якщо
потужність, що передається по лінії зростає, то струм збільшується, і
відповідно, збільшується сила магнітного поля. При передачі звичайної
величини енергії по лінії потужність електричного і магнітного полів
однакова, що забезпечує взаємну компенсацію. Коли потужність передається
18
понад звичну, то потужність магнітного поля лінії перевищує потужність її
електричного поля, а сама лінія стає споживачем реактивної потужності.
Реактивну потужність що генерується лініями, необхідно компенсувати
енергосистемою [33, 34].
У режимах з низьким навантаженням – з ємкісною природою
реактивних струмів напруга в енергосистемі зростає. В режимах
максимального навантаження – з появою реактивних струмів напруга
зменшується. Важливими завданнями при проектуванні і експлуатації
енергосистем є мінімізація цих коливань.
Проблема стабілізації напруги і збільшення пропускної спроможності
мережі є актуальною у всьому світі, особливо в країнах з протяжними
територіями та великою протяжністю з'єднань між сусідніми підстанціями [8,
18, 33]. Для вирішення цієї проблеми була розроблено ряд пристроїв,
призначених для компенсації реактивної потужності. Шунтуючі реактори
відносяться до таких пристроїв [12].
Робота ліній електропередач – це зв'язок між електростанціями і
споживачами електроенергії. Всі лінії електропередач відносяться до
розподільних, системотворюючих і міжсистемних ліній. По розподільних
лініях електроенергія передається на відносно короткі відстані, які не
перевищують декількох десятків кілометрів. По ПЛ електроенергія
передається на сотні кілометрів. Довжина міжсистемних повітряних ліній
передач може бути більше тисячі кілометрів. Напруга розподільних ліній не
перевищує 220 кВ, магістральних – 500 кВ, міжсистемних ліній – 750 кВ і
вище в залежності від довжини ліній [1, 16].
Основними показниками енергоспоживання споживачів є надійність і
якість електроенергії [24]. Вони визначають основні вимоги до лінії
електропередач.
1. Лініям передач необхідно здійснювати передачу потужності в
нормальному, а також післяаварійному режимах. Відповідно до нормативних
документів і стандартів. У післяаварійному режимі передача по лінії

19
електропередачі може значно збільшитися (наприклад, при від'єднанні
паралельної лінії).
Зміна напруги від необхідного значення обмежена. Збільшення напруги
на лініях у нормальних режимах використання має бути обмежене через
зношення і порушення ізоляційних властивостей електроустаткування.
Недостатня напруга в нормальних умовах роботи має бути обмежена
для кращих умов експлуатації електроустаткування.
2. Падіння напруги вздовж лінії неприпустимо.
3. Густина струму в проводах в нормальному режимі вибирається
економічним станом передачі, в режимі після збою - відповідно до умов
нагріву проводів.
4. Як для нормального, так і для післяаварійного режиму необхідно
забезпечити баланс реактивної потужності в системі.
5. Втрати на корону, а також радіоперешкоди на лінії мають бути
мінімальними. Повітряні лінії мають електричні та магнітні поля. Електричне
поле лінії незначно змінюється при зміні навантаження протягом дня, а
також через обмежених інтервалах зміни напруги. Магнітне поле змінюється
в межах разом із зміною струму. Це визначає основні принципи роботи ЛЕП.
Інша особливість полягає в тому, що при великій довжині лінії напруга
і струм змінюються по всій довжині лінії [25-28]. Фазове зрушення вздовж
лінії визначається швидкістю розповсюдження електромагнітної хвилі

ν 1
= ,
L0C0

де L0 – погонна індуктивність C0 – погонна ємкість лінії.
Явище передачі електроенергії по ЛЕП має хвильову природу, тому це
створює необхідність розглядання хвильових процесів при дослідженні
роботи ліній електропередач.
20
Пропускна спроможність ліній електропередач – це максимальна
потужність, що передається по лінії без обмежень та тривалості передачі
електроенергії з підтримки густини струму не більше допустимих значень, а
також дотримання інших вимог. Основні серед яких:
- точне обмеження критичної густини струму;
- контроль зміни напруги;
- забезпечення стійкості режиму.
Забезпечення першої вимоги досягається оптимальним вибором
активного перерізу проводів на етапі проектування лінії.
Вимоги необхідні для забезпечення балансу реактивної потужності, яка
може бути досягнута з допомогою використання спеціальних компенсуючих
пристроїв.
Умови визначають додаткові вимоги до параметрів лінії і
компенсуючих пристроїв. При нормальній роботі змінна напруги обмежена
допустимим рівнем напруги, а саме найвищою робочою напругою.
Передбачається, що номінальна напруга є мінімальною напругою в
нормальному режимі. Крім того, рівень напруги в лінії електропередачі буде
вищий, чим менше різниця між довготривалою і номінальною напругою.
Таке обмеження існує зважаючи на підвищення добротності лінії
(збільшення відношення індуктивного та активного опору ліній) при
підвищенні класу напруги. Але збільшення довжини ліній електропередач
надвисоких класів напруги створює істотні труднощі забезпечення даного
обмеження [1].

21
РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА SIMULINK-МОДЕЛІ КЕРОВАНОГО ШУНТУЮЧОГО
РЕАКТОРА В ПРОГРАМНОМУ СЕРЕДОВИЩІ MATLAB

Розрахунки будемо проводити у сучасному програмному комплексі, що
ґрунтується на імітаційному моделюванні магнітозв'язаного ланцюга, який
відноситься до методів моделювання, причому запис та розв’язання системи
рівнянь визначаються конструкцією моделюємих реакторів [9, 20].
Внаслідок того, що керований підмагнічуванням реактор є складним
електротехнічним пристроєм [12], який характеризується нелінійними
властивостями електротехнічної сталі, тому облік всіх фізичних явищ, що
відбуваються в магнітній системі реактора, неминуче призводять до
погіршення чисельного розрахунку моделі, що викличе неприпустимо велику
тривалість обчислень [22]. Дуже важливою на початковому етапі побудови
моделі є задача визначення ряду основних припущень, які з однієї сторони
призведуть до зниження часу розрахунку, а з іншої – не призведуть до
спотворення результатів розрахунку.

2.1 Основні припущення

Основні припущення, прийняті при моделюванні керованого ректора
наступні [4, 12, 17, 22, 34, 35]:
1. Ярма магнітопроводу, які служать для замикання магнітного
потоку обмоток і як наслідок запобігання його виходу за межі
магнітопроводу. Вони не насичуються у всіх даних режимах їх магнітна
проникність нескінченна (µ = 0). Практика виготовлення КШР показує, що
конструкцією реактора передбачено застосування приставних до бічних ярем
шунтів, які спроектовані так, що навіть подвійний номінальний магнітний
потік не приводив до насичення ярем.
22
2. Магнітна індукція в стержні до його насичення однакова.
3. Плоскі поверхні широких ненасичених ярем прилягають до
торців стержнів і концентричних рівномірних обмоток.
4. Обмотки тонкі. При розрахунку обмоток і потокощеплення
враховується одна і таж сама площа, яка охоплюється еквівалентним
середнім витком обмотки.
5. Не враховуються втрати в сталі від вихрових струмів та явища
гістерезису.
6. Не враховується модель перетворювального блоку, який в
представлених моделях замінюється регульованим джерелом постійної
напруги. Дане припущення не відображається на результатах моделювання,
проте значно знижує час розрахунку.
7. Довжина шляху потоків розсіяння приймається рівній висоті вікна
магнітної системи автотрансформатора;

2.2 Конструкція фази КШР

Повний опис особливостей конструкції керованого підмагнічуванням
реактора КШР 500 кВ було викладено вище, проте варто детально
зупинитися на розгляді тих моментів, які відіграють принципову роль при
створенні комп'ютерної моделі [17, 22, 31].
Мережева обмотка (МО) має тільки одну частину, що охоплює обидва
стрижні – це дозволяє обійтися без складних з'єднань, скорочує витрату
матеріалів і спрощує конструкцію. У трифазній групі однофазних реакторів
МО різних фаз з'єднуються в зірку з заземленою нейтраллю.
Обмотка управління (ОУ) складається з двох частин, кожна з яких
охоплює один із стержнів. Дві частини операційного підсилювача включено
для того, щоб створити магніторушійну силу (МРС), що генерується
струмом, який протікає через них.

23
Компенсуюча обмотка (КО) складається з двох частин, кожна з яких
охоплює один із стержнів. У трифазній групі однофазних реакторів КО
різних фаз сполучені в трикутник.
Виходячи з вищевикладених особливостей КШР, а також зроблених
припущень (2.1) створена схема заміщення магнітної системи однієї фази
КШР 110 кВ (рис. 2.3).

Рис. 2.1. Магнітна система однієї фази КШР

2.3 Розробка моделі КШР в середовищі Simulink (Matlab)

Середовище моделювання Simulink (Matlab) є одним із
найпоширеніших імітаційних середовищ моделювання на сьогоднішній день,
що дозволяє за допомогою блок-діаграм у вигляді направлених графів
будувати динамічні моделі, включаючи дискретні, безперервні, нелінійні
системи тощо [9, 20, 31].
Розглянемо простий нерозгалужений замкнутий магнітний ланцюг, що
складається із феромагнітних матеріалів, на який намотана обмотка з числом
24
w , який у свою чергу створює магнітний
потік Ф, який циркулюється в осерді [10, 15].

Рис. 2.2. Електрична схема з'єднання обмоток однієї фази реактора

Рис. 2.3. Схема заміщення магнітного ланцюга однієї фази КШР 110

Простий нерозгалужений магнітний ланцюг можна представити у
вигляді двох схем заміщення – електричної і магнітної (рис. 2.4).

25

Рис. 2.4. Простий магнітний ланцюг та схеми заміщення

Електрична схема заміщення даного ланцюга містить послідовно
сполучені джерело ЕРС, індуктивність обмотки L та опір R , який враховує
активні втрати в обмотці.
Тоді для електричної схеми заміщення рис. 2.4.

Ф 1
= (E − I ⋅R)d. (2.2)
w

Для схеми заміщення магнітного ланцюга рис. 2.4, яка складається з
однієї ділянки феромагнітного матеріалу, де магнітний потік створюється
однією обмоткою з числом витків w і струмом I справедливе вираз:

Um = I ⋅w =Ф ⋅Rm , (2.3)

де Um – магнітна напруга;
Ф – магнітний потік, що протікає по магнітній системі;
Rm – магнітний опір феромагнітного матеріалу.
Основна суть моделювання магнітозв'язаних ланцюгів в середовищі
Simulink зводиться до створення моделей електричного і магнітного ланцюга,
які зв'язані один з одним за допомогою потоку Ф.
26
На рис. 2.5 представлена структурна схема розрахунку електричного і
магнітного ланцюга за допомогою джерела магнітного потоку.

Рис. 2.5. Структурна схема розрахунку електричного і магнітного
ланцюга за допомогою джерела магнітного потоку

У електричній частині схеми розрахунку електромагнітних процесів
(рис. 2.5) за допомогою вимірювального елементу ВЕ відбувається
вимірювання напруги на індуктивності, яка інтегрується в блоці інтеграції БІ,
набуте значення потокощеплення ділиться на число витків в блоці
підсилення БП1. Далі відбувається перехід до розрахунку процесів в
магнітному ланцюзі для чого сигнал, сформований на виході БП1 за
допомогою керованого джерела струму, формує магнітний потік, що протікає
в магнітному ланцюзі Rm . Падіння магнітної напруги на елементі Rm
викликане протіканням потоку Ф в магнітному ланцюзі, вимірюється за
допомогою вимірювального елементу ВЕ2, інтегрується в блоці БІ2 і
ділиться на число витків w тим самим відбувається зворотний перехід від
розрахунку магнітного ланцюга до електричного. Сигнал, отриманий на
виході БП2 подається на кероване джерело струму, що забезпечує протікання
струму I в котушці індуктивності.
На рис. 2.6 представлена структура моделі електротехнічного блоку
зв'язку електричного і магнітного ланцюга шляхом використання джерела
потоку в середовищі Simulink [31].

27

Рис. 2.6. Структура моделі розрахунку електричного і магнітного
ланцюга за допомогою джерела потоку в середовищі Simulink

Варто відзначити наявність в моделі додаткових елементів, таких як
опори R1 і фільтра з малою постійною часу 10−8 . Необхідність в схемі R1
обумовлена тим, що при створенні моделей магнітнозв'язаних ланцюгів з
декількома обмотками, джерела струму в даному випадку моделюється
магнітний потік.
Алгебраїчні контури розраховуються в Simulink за допомогою
ітераційної процедури на кожному кроці розрахунку, що сповільнює
загальний час розрахунку. Для виключення алгебраїчного контура в схему
вводиться фільтр з малою постійною часу. Значення постійної часу повинно
бути таким, щоб наявність фільтру не приводила до зміни динамічних
властивостей моделі [31].
Принцип роботи даних пристроїв має деякі відмінності. У пристроях
першого типу струм вентильної обмотки (ВО) регулюється зміною кута
відкриття тиристорів, включених зустрічно-паралельно. Неповне відкриття
тиристорів приводить до погіршення гармонійного спектру струму. Парні
гармоніки і гармоніки кратні трьом виключаються. Для компенсації решти
гармонік (5-у, 7-у, 11-у) можуть бути застосовані відповідні фільтри. Проте
дане технічне рішення веде до додаткових витрат.
Пристрої другого типу мають переваги по чистоті спектру струму.
Зниження рівня вищих гармонік в струмі досягається за допомогою
регулювання потужності КШРТ [22], здійснюваного таким чином:
28
При робочій потужності від мінімальної до 0,5Sí î ì ВО з’єднана в зірку
та розімкнена. Струм обмотки, яка з’єднана в трикутник, регулюється
тиристорами.
При робочій потужності від 0,5Sí î ì до Sí î ì ВО, з’єднана в трикутник,
замкнута накоротко. Струм ВО, яка з’єднана в зірку та замкнута накоротко,
регулюється за допомогою тиристорів. У цьому випадку, вищі гармоніки не
генеруються, загальний рівень вищих гармонік знижується приблизно в 2
рази у порівнянні з пристроями першого типу.
Таким чином, використання КШРТ з розділеними обмотками дозволяє
відмовитися від фільтрів і понизити загальну вартість компенсуючого
пристрою.
Надлишкова зарядна потужність довгих ліній електропередач
призводить до зниження їх пропускної спроможності. Для компенсації
зарядної потужності застосовуються різні пристрої. Одним з найбільш
перспективних напрямів є використання компенсаторів із керованими
шунтуючими реакторами трансформаторного типу (КШРТ), які
відрізняються високою швидкодією та здатністю пофазного регулювання
реактивної потужності.
Відомо два типи цих пристроїв, які використовуються в трифазних
лініях електропередач, що відрізняються за конструкцією.
У першого типу мережева обмотка (МО) з'єднується в зірку з
глухозаземленою нейтраллю, а вентильна обмотка (ВО) в трикутник. У
другого типу МО складається з електрично зв'язаних в кожній фазі
однакових обмоток, що включені паралельно і з’єднаних в зірку з
глухозаземленою нейтраллю. ВО розділена на дві частини, які електрично не
зв'язані одна з одною. Одна частина обмоток з'єднується в зірку, а інша в
трикутник. Конструктивно пари частин ВО і МО розташовуються
концентрично одна відносно іншої. Вентильні обмотки розташовуються
усередині.

29
Залежно від поставленого завдання, а також від схеми магнітної
системи пристроїв, опір Rm може бути представленим, як еквівалентним
опором ділянки магнітного ланцюга, так і ділянки повітряного зазору, що в
більшості випадків задається геометричними розмірами – площею
поперечного перерізу S і довжиною ділянки L .
Слід зазначити, що підхід до визначення еквівалентних опорів Rm для
магнітної і немагнітної (повітряний зазор) ділянок відрізняється. Даний факт
обумовлений тим, що характеристика феромагнітного матеріалу носить
нелінійних характер і залежить від кривої намагнічення сталі В(Н), тоді як
опір повітряної ділянки лінійний.
Одним із завдань створення імітаційної моделі КШРТ [31], що
відображає особливості його роботи у складі енергосистеми [17], є розробка
системи формування управляючих імпульсів для тиристорів, яка повинна
відповідати наступним вимогам:
- Формування управляючого імпульсу в даний момент часу з високою
точністю (не більше 0,5 °) та синхронізацією з мережею;
- Тривалість управляючого імпульсу повинна перевищувати час
розблокування тиристора;
- Максимальна крутість переднього фронту напруги управляючого
імпульсу, тобто імпульс має бути якомога ближче до прямокутного.
- Можливість задання кута управління до 180°.
- Подача парного числа імпульсів із зрушенням в 180° (зважаючи на
зустрічно-паралельно включені тиристори), синхронізованих від однієї
синусоїди напруги.
Модель КШРТ реалізується в програмі Matlab (пакет Simulink) [9, 20,
31]. В даній моделі використовується СУ, яка приведена на рис. 2.7.
30

Рис. 2.7. Модель СУ

Входи Соnn1 і Соnn2 підключаються до напруги синхронізації (рис. 2.8,
а). Після цього сигнал розділяється на дві частини (для забезпечення
зрушення по фазі управляючих імпульсів на 180°). Подача на вхідні блоки:
один блок налаштований на збільшення, інший на зменшення сигналу.
Вихідні сигнали поступають на вхід інтеграторів, що працюють з
наростаючим сигналом. Постійний блок, підключений до інтегратора, видає
пилкоподібні сигнали із тривалістю 180°, що виходить з інтегратора на
відповідний рівень. Амплітуду вихідного сигналу зручно встановлювати на
рівні 360. Кут розблокування тиристорів можна встановити, встановивши
бажаний інтервал в блоках. Внутрішньо: нижня межа відповідає заданому
куту розблокування тиристора, верхній межі відповідає кінець управляючого
імпульсу. Наприклад, кут розблокування приймається під кутом 45°,
тривалість імпульсу складає 10° (Рис. 2.8). Розроблена схема відповідає
вимогам: генерує прямокутні імпульси із синхронізацією від напруги мережі,
відрізняється по можливості тривалістю управляючого імпульсу. Розроблена
модель дозволяє досліджувати реактор у всіх режимах роботи.

31

Рис. 2.8. Вихідні сигнали

Відомо, що для визначення магнітного опору повітряного проміжку
можна скористатися наступним виразом [18]

R L
= B
m .
mp ⋅ SB

Тоді для схеми заміщення магнітного ланцюга (рис. 2.4, в)
справедливий вираз (2.4) відповідно до якого може бути знайдене падіння
напруги Um на магнітному опорі Rm .
32
Um −Ф ⋅Rm =Ф L
⋅ B . (2.4)
mp ⋅ SB

На рис. 2.9 приведена структурна схема лінійної магнітної ділянки
(повітряного проміжку), яка реалізує закон Ома для магнітного ланцюга.

Рис. 2.9. Структурна схема лінійної магнітної ділянки

У представленій схемі реалізований механізм визначення падіння
магнітної напруги на еквівалентному лінійному магнітному опорі, що
характеризує повітряний зазор, для чого за допомогою вимірювального
елементу ВЕ відбувається вимірювання значення магнітного потоку з
послідовним перетворенням отриманого сигналу Ф в блоках підсилення БП1,
БП2, БП3 в магнітну напругу Um відповідно до виразу (2.4).
Схожим чином може бути створена модель нелінійної ділянки
магнітного ланцюга [31]. Як вже було відмічено вище, основною перевагою
моделей лінійної і нелінійної ділянок ланцюга є необхідність обліку кривої
намагнічення сталі, яка характеризується залежністю В(Н). З урахуванням
цього чинника, вираз для визначення падіння магнітної напруги на
нелінійному опорі Rm визначається співвідношенням

Um −Ф ⋅Rm = H (B) ⋅ LC . (2.5)

33
Для визначення напруги Um приведено на рис. 2.10 криву намагнічення
сталі 3408, яка представлена залежністю В(Н), необхідно перетворити в Н(В)
(рис. 2.10).

Рис. 2.10. Крива намагнічення сталі 3408

Рис. 2.11. Характеристика Н(В) сталі 3408

34
Враховуючи вищевикладене, структурна схема нелінійної магнітної
ділянки (феромагнітного матеріалу) представлена відповідно до рис. 2.12.

Рис. 2.12. Структурна схема нелінійної магнітної ділянки

По аналогії з описаним вище механізмом визначення магнітної напруги
на еквівалентному лінійному магнітному опорі, значення Um на нелінійному
Rm , можна знайти шляхом вимірювання значення магнітного потоку у
вимірювальному елементі ВЕ із подальшим перетворенням отриманого
сигналу Ф в індукцію В на блоці підсилення БП1. Далі сигнал, що
характеризує В, подається в блок вибору значення БВЗ, в якому відбувається
вибір значення напруженості магнітного поля Н відповідно до кривої Н(В)
зображеного на рис. 2.12 з подальшим її перетворенням в Um у блоці
підсилення БП2, де значення Н множиться на довжину магнітної ділянки LCT
Значення Um отримане на виході БП2 подається на кероване джерело
напруги, яке формує значення падіння напруги в магнітному ланцюзі на
нелінійному опорі Rm .
Правила за якими працює блок, описуються наступним чином [31]:
Якщо вхідне значення напруги дорівнює одному з елементів вектора
вихідних значень напруженості магнітного поля, то вихідне значення блоку
буде дорівнювати відповідно елементу вектора Н.
На рис. 2.13 і рис. 2.14 приведені розрахункові моделі блоків лінійного
і нелінійного блоків магнітного опору відповідно.

35

Рис. 2.13. Модель лінійного магнітного опору в середовищі Simulink

Рис. 2.14. Модель нелінійного магнітного опору в середовищі Simulink

Використовуючи блоки лінійних і нелінійних магнітних опорів (рис.
2.13 і рис. 2.14), блок загального розрахунку електричного і магнітного
ланцюга (рис. 2.6), а також враховуючи схеми з'єднання обмоток і магнітної
системи, можуть бути розроблені будь-які моделі електротехнічних
пристроїв (трансформатор, реактор, керований реактор тощо).
Розроблена імітаційна модель фази КШР РОДУ-60000/500 показана на
рис. 2.15.
36

Рис. 2.15. Імітаційна модель фази РОДУ-60000/500

На представленій на рис. 2.15 ІМ КШР 500 кВ показані нелінійні
магнітні опори стержнів і ярем ( R1 − R4 ), лінійні опори каналів розсіяння
магнітного потоку:
- між секціями КО і стержень – RS1 − RS 2;
- між секціями обмоток КО і ОУ – RS 3 − RS 4;
- між обмоткою МО і ОУ – RS 5 − RS 6.

На рис. 2.17 представлена програмна реалізація SIMULINK-МОДЕЛІ
фази КШР в середовищі Simulink.

37

Рис. 2.17. Модель фази РОДУ-60000/500 в середовищі Simulink (Маtlab)

Найбільш небезпечним режимом для електричної мережі є режим
короткого замикання. Так як найбільш поширеною схемою з'єднань для
трифазних ланцюгів і для напруг до 1000 В є з'єднання за схемою "зірка" з
нульовим проводом, то в подальшому, всі процеси будуть розглядатися для
таких типів ланцюгів. Розрахункова електрична схема роботи ланцюга в
номінальному режимі показана на рис. 2.18 де uA , uB , uC – фазні напруги;
R1, L1 – параметри лінії, включаючи опір обмоток трансформатора; Rn , L –
параметри навантаження; Q – контакти автоматичного вимикача; R10 , L10 –
параметри нульового провода; iA , iB , iC – струми відповідних фаз і нульового
провода.

Рис. 2.18. Електрична схема трифазного ланцюга з нульовим проводом

38
Розрахунок струмів в разі одно-, двох- або трифазного КЗ на виводах
вимикача здійснюється для відповідних електричних схем, показаних на рис.
2.19.

Рис. 2.19. Розрахункові електричні схеми

Щоб обчислити перехідні процеси у вхідних даних мають бути вказані
фазна напруга, а також дані про опори лінії, навантаження і нульового
провода . Опір лінії розраховується по фактичному і трифазному короткому
замиканню на виході вимикача, що дорівнює 30 та коефіцієнта потужності
cosϕÊÇ = 0,1. Імпеданс створений на ефективному значенні номінального
струму і cosϕÊÇ = 0,8 . Оскільки на принциповій схемі 1, 2 всі параметри
взаємозв'язані і впливають на значення струмів у фазах то розрахунок
струмів короткого замикання призводить до розв’язку системи
диференціальних рівнянь для даної початкової фази напруги.
Якщо ланцюг АВ без обмеження струму відключений, то починаємо з
того, що час контакту АВ встановлений. Цей час включає час досягнення
точного часу уставки, час затримки, час реакції механізму і час вибору
відмови контакту. Всі контакти запускаються одночасно під впливом
пружини відключення або іншого механізму. Значення напруги на кожній
фазі може бути апроксимована за допомогою шматково-лінійної функцією.
Дуга нерухомо запалюється на розщеплених контактах, поки відстань між
ними не досягне відповідних розрахункових схем при розв’язку систем
диференціальних рівнянь з урахуванням напруги на дузі. В цьому випадку
необхідно враховувати, що напруга на дузі збігається по знаку із струмом.
Крім того, необхідно враховувати, що гасіння дуги не відбувається
одночасно у всіх трьох фазах. В цьому випадку схема проектування має бути

39
R dA , RdB , RdC – активні опори дуги.

Рис. 2.20. Розрахункові схеми електричного ланцюга
Розроблену в середовищі Simulink модель КШР 500 кВ необхідно
перевірити на відповідність оригіналу, для чого результати розрахунків,
отримані на моделі, порівнюються з результатами випробування заводу-
виробника ПрАТ «Запоріжтрансформатор» [12]. Аналіз результатів
порівняння зведемо до таблиці 2.1-2.3.
Аналізуючи таблиці 2.1-2.3, можна сказати, що отримані на імітаційній
моделі [17] результати розрахунків із високою точністю збігаються з
протоколами випробування заводу-виробника, що дозволяє судити про
достовірність і адекватність моделі.
Таблиця 2.1
Результати розрахунків в режимі неробочого ходу при номінальній
напрузі на реакторі
Найменування Результати Дані з Відхилення
параметра розрахунку моделі протоколу %
Напруга мережевої
обмотки, кВ 303,109
Індукція в стержні, Тл 1,74 1,75 0,57
Напруга обмотки
управління одного 39,7 40,3 1,48
стержня, кВ
Напруга компенсацій-
ної обмотки, кВ 10,6 10,53 0,66

40
Таблиця 2.2
Результати розрахунку в режимі КЗ компенсаційної обмотки (UК = 55,5% )
Найменування Результати Дані з Відхилення
параметра розрахунку моделі протоколу %
Напруга мережевої
обмотки, кВ 168,23
Струм мережевої
обмотки, А 195,6 197,9 1,1
Струм
обмотки 5520 5696 3,2
управління, А

Таблиця 2.3
Результати розрахунку в номінальному режимі
Найменування Результати Дані з Відхилення
параметра розрахунку моделі протоколу %
Напруга мережевої
обмотки, кВ 303,0
Струм мережевої
обмотки, А 196,8 197,9 0,55
Струм обмотки
управління, А 740 744,4 0,59

Окрім проведеного вище аналізу, для перевірки відповідності моделі до
оригіналу проводилося порівняння результатів, отриманих на моделі в
динамічних і комутаційних режимах роботи КШР, з отриманими в ході
експлуатації осцилограмами. При проведенні досліджень особлива увага
була акцентована на відповідність взаємозв'язаних значеннях струмів в
обмотці управління і мережевій обмотці в досліджуваних режимах, а крім
того на відповідність швидкісних характеристик в режимах форсованого
набирання і скидання потужності.
Як приклад на рис. 2.21 і рис. 2.22 приведені реальна осцилограма
струмів в ОУ і МО і результати розрахунку на імітаційній моделі в режимі
форсованого набирання 5-100% потужності відповідно.

41

Рис. 2.21. Осцилограма набирання потужності, отримана в ході
експлуатації КШР 500 кВ

Аналіз результатів моделювання процесу набирання повної потужності
із максимальною швидкодією (рис. 2.22) показує, що значення сталого
струму, що діє в мережевій обмотці складає 282 А, струм в ОУ - 2010 А, час
набирання потужності 5-100% - 0,279 сек. При проведенні натурних
випробувань (рис. 2.21) аналогічні параметри склали 274 А, 2079 А і 0,268
сек. відповідно. Відхилення результатів моделювання від результатів,
отриманих при випробуваннях, не перевищує 5%.
На підставі проведеної верифікації моделі можна стверджувати, що
модель КШР типу РТУ-180000/500-УХЛ1 [12], відповідає оригіналу і можна
її використовувати для аналізу комутаційних процесів в реакторі, а також при
його роботі в системі. Модель створена на основі реальної конструкції КШР,
які використовуються в даний час в системах електропостачання, вона
враховує характеристику намагнічення сталі, яка використовується в
магнітній системі реактора.
Надлишкова зарядна потужність довгих ліній електропередач
призводить до зниження їх пропускної спроможності [1]. Для компенсації
зарядної потужності застосовуються різні пристрої [28, 29]. Одним з
42
найбільш перспективних напрямів є використання компенсаторів з
керованими шунтуючими реакторами трансформаторного типа (КШРТ), які
відрізняються високою швидкодією, і здатністю пофазного регулювання
реактивної потужності [36-38].

Рис. 2.22. Результат набирання потужності отриманий на імітаційній
моделі КШР 500 кВ

Відомо два типів даних пристроїв, які використовуються в трифазних
лініях електропередач, які відрізняються конструктивно.
У першого типу МО з'єднується в зірку із глухозаземленною.
нейтраллю, а ВО – в трикутник (рис. 2.23). У другого типу МО складається з
електрично зв'язаних в кожній фазі однакових обмоток, включених
паралельно і з’єднаних в зірку з глухозаземленою нейтраллю. ВО розділена
на дві частини, електрично не зв'язані одна з іншою. Одна частина обмоток
з'єднується в зірку, а інша в трикутник (рис. 2.23). Конструктивно пари

43
частин ВО і МО розташовуються концентрично одно відносно іншої.
Вентильні обмотки розташовуються усередині.
Принцип роботи даних пристроїв має деякі відмінності. У пристроях
першого типу струм вентильної обмотки (ВО) регулюється зміною кута
відкриття тиристорів, включених зустрічно-паралельно. Неповне відкриття
тиристорів приводить до погіршення гармонійного спектру струму. Парні
гармоніки і гармоніки кратні трьом виключаються. Для компенсації решти
гармонік (5-у, 7-у, 11-у) можуть бути застосовані відповідні фільтри. Проте
дане технічне рішення веде до додаткових витрат.

Рис. 2.23. Обмотки КШРТ

Пристрої другого типу мають переваги по частоті спектру струму.
Зниження рівня вищих гармонік в струмі досягається за допомогою
регулювання потужності КШРТ, що здійснюється таким чином:
- при робочій потужності від мінімальної до 0,5Sном ВО, з’єднана в зірку
та розімкнена. Струм обмотки, з’єднаної в трикутник, регулюється
тиристорами;
44
- при робочій потужності від 0,5Sí î ì до Sí î ì ВО, з’єднана в трикутник та
замкнена накоротко. Струм ВО, сполученою в зірку, регулюється за
допомогою тиристорів. У замкнутій ВО вищі гармоніки не генеруються, тому
загальний рівень вищих гармонік знижується приблизно в 2 рази в
порівнянні з пристроями першого типу.
Використання КШРТ з розділеними обмотками дозволяє відмовитися
від фільтрів і понизити загальну вартість компенсуючого пристрою.
Для вивчення параметрів і режимів експлуатації була розроблена
імітаційна модель шунтуючого реактора. Модель дозволяє виразити
збільшення і опис регулювальних характеристик тощо.
Розроблена модель реактора РКТВДЦ-50000/110 приведена на рис.
2.24.

Рис. 2.24. Схема моделі
Для імітації електромагнітної частини використовується трифазний
блок трансформатора в програмі Matlab (пакет Simulink) [31]. Параметри
моделей за паспортними даними розраховуються по формулах для

45
Sí î ì = 50 MBA; номінальний струм Ií î ì =251 А;
напруга UBH =115 кВ; струм неробочого ходу I0 =0,25% ; втрати в сталі
P0 =22 ,5 кВт; втрати в міді PK =237,087 кВт. Знайдемо основні параметри
реактора.
Номінальний фазний струм первинної обмотки реактора

I Sном 50000
1ном = = = 251А.
3UBH 1,73 ⋅115

Номінальний фазна напруга первинної обмотки реактора

U
U BH 115 ⋅103
1ф = = = 66395 В.
3 1,73

Номінальний фазна напруга вторинної обмотки реактора

U2ф =UHH =11кВ.

Номінальний фазний струм неробочого ходу

I І0 ⋅ І1ном 0,25 ⋅251
0.ф = = = 0,63А.
100 100

Потужність втрат неробочого ходу на фазу

3
Р Р0 22,5 ⋅10
0.ф = = = 7500 Вт.
3 3

Повний опір гілки намагнічення схеми заміщення при неробочому ході

46
U
Z 1ф 66395
0 = = =105389 Ом.
I0ф 0,63

Коефіцієнт трансформації реактора

U
K 1ф 66395
12 = = = 6,035 в.о.
U2ф 11000
Фазна напруга короткого замикання

U1ф ⋅UU кз 66398 ⋅106,19
kф = = = 70508 В.
100 100

Повний опір короткого замикання

U
Z кф 70508
к = = = 281 Ом.
I1.ном 251

Потужність втрат короткого замикання на фазу

Р Ркз 237,087 ⋅103
к.ф = = = 79029 Вт.
3 3

Активний опір короткого замикання

Р
R к.ф 79029
к = 2 = 2 =1,25 Ом.
( I 251
1.ном )

Індуктивний опір короткого замикання

47
Х к = Z 2 + R2
к к = 2812 +1,252 = 280,9 Ом.

Активний опір первинної обмотки

R Rк 1,25
1 = = = 0,625 Ом.
2 2

Індуктивний опір первинної обмотки

X X к 280,9
1 = = =140,45 Ом.
2 2

Величина індуктивності в первинній обмотці

L X1 140,45
1 = = = 0,447 Гн.
2 ⋅π ⋅ f 2 ⋅3,14 ⋅50

Активний опір вторинної обмотки

R R 0,625
2 =
1 = = 0,017 Ом.
(K )2
12 (6,035)2

Індуктивний опір вторинної обмотки

X X1 140,45
2 = 2 = 2 =15,25 Ом.
(K12 ) (6,035)

Величина індуктивності в вторинній обмотці

48
L X 2 15,25
2 = = = 0,049 Гн.
2 ⋅π ⋅ f 2 ⋅3,14 ⋅50

У цьому КШР номінальна напруга ВО складає 11 кВ.
Використовуються блоки послідовно з’єднаних тиристорів. Зважаючи на це
для мінімізації часу розблокування необхідно використовувати тиристори з
достатньою швидкістю. Наприклад, Т273-1250 вітчизняного виробництва або
імпортних аналогів [15].
Блоки тиристорів сполучені по фазі в протилежному напрямку, схема
з'єднання – трикутник. Для забезпечення працездатності при напрузі 11 кВ і
опору 1 МОм ємкість схеми демпфування складає 0,25 нФ. Модель блоку
тиристорів представлена на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Модель блоку тиристорів

Система управління (СУ) повинна відповідати наступним вимогам:
- синхронізація з мережею;

49
- формування управляючого імпульсу в заданий час з високою
точністю (похибка не більше 0,5 %);
- тривалість управляючого імпульсу повинна перевищувати час
розблокування тиристора;
- можливість встановлення керуючого кута на 180 °;
- подача пари імпульсів із зрушенням на 180 ° (за рахунок зустрічно -
паралельних тиристорів), синхронізованих від однієї синусоїдальної напруги.
Модель схеми управління (на одну фазу) показана на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Модель системи управління тиристорами

Принцип роботи приведений нижче. Напруга синхронізована (рис.
2.27), розділена на дві частини, які подаються на вхідні блоки. Один блок
налаштований на збільшення, інший - на зменшення сигналу. Це дозволяє
використовувати автономну і негативну напівхвильову синхронізуючу
напругу для забезпечення зрушення імпульсів управління на 180 °. Вихідні
сигнали поступають на вхід інтеграторів. Постійний блок, підключений до
інтегратора, передає керуючі сигнал тривалістю 180°, що поступають від
інтегратора на відповідний рівень. Амплітуду вихідного сигналу зручно
50
встановлювати на рівні 360. Кут розблокування тиристорів задається шляхом
встановлення необхідних значень в постійному блоці, підключеному до
входу 2 (рис. 2.27). Блок ІnteralTest дозволяє встановити необхідну тривалість
управляючого імпульсу [31]. Управляючий імпульс на виході прямокутний;
Наприклад, кут розблокування приймається рівним 150°, тривалість імпульсу
– 4 ° (рис. 2.27).
Розроблена схема відповідає необхідним вимогам: генерує прямокутні
імпульси з синхронізацією від напруги мережі, характеризується здатністю
формування управляючих імпульсів, а модель дозволяє досліджувати реактор
у всіх режимах [40].

Рис. 2.27. Принцип роботи СУ тиристорами

51
2.3 Висновки до розділу 2

Виходячи із аналізу розділу 2, встановлено, що необхідно перевіряти
узгодженість отриманих Simulink-моделей КШР і порівнювати результати з
осцилограмами, отриманими під час моделювання. В ході дослідження
особлива увага була приділена відповідності взаємозв'язаних значень в
обмотці управління, мережевій обмотці при дослідженні в різних режимах, а
також залежно від характеристик швидкості в режимах примусового
набирання і скидання потужності.
Аналіз результатів моделювання повної готовності потужності з
максимальною швидкістю показує, що ефективне значення усталеного
струму в мережевій обмотці складає 282 А, а струм в обмотці управління
складає 2010 А, час силового набирання складає 0,279 сек. При проведенні
повномасштабних випробувань заводом-виробником ПрАТ «ЗТР» аналогічні
параметри складали 274 А, 2079 А і 0,268 секунд відповідно. Таким чином,
відхилення результатів моделювання від результатів випробування не
перевищує 5%.
Ґрунтуючись на перевірці адекватності Simulink-моделі, можна
стверджувати, що розроблена модель типу КШР, відповідає оригіналу і
придатна для аналізу комутаційних динамічних процесів в реакторі під час
його роботи в енергосистемі. Simulink-модель створена на основі реальної
конструкції КШР, які використовуються в даний час в схемних рішеннях
систем електропостачання України та близького зарубіжжя. Особливістю
даної Simulink-моделі є врахування характеристики намагнічення сталі, яка
використовується в магнітній системі реактора.

52
РОЗДІЛ 3
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ КШР НА ПРОЦЕСИ, ЩО ПРОТІКАЮТЬ У
ЦИКЛІ АВТОМАТИЧНОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕННЯ ЛІНІЙ
ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Автоматичне повторне включення (АПВ) ліній електропередачі є
одним з найбільш простих і ефективних засобів підвищення надійності
роботи ліній при коротких замиканнях [2, 3].
Розрізняють трифазні АПВ і однофазні АПВ. У випадку АПВ, коли
пошкоджена ЛЕП незалежно від вигляду КЗ (однофазне, двофазне або
трифазне), відключення трьох фаз із обох кінців лінії і після закінчення
заданої безструмової паузи повторно включається з одної сторони, а потім
якщо відключення не сталося то з іншої. В разі неуспішного першого
включення інколи включається двократне АПВ.

3.1 Спрощена модель процесів при безструмовій паузі АПВ

Після відключення аварійної фази ПЛ з обох кінців на неї впливають
ємкісні і індуктивні складові зі сторони решти фаз [23, 24]. Цей вплив
призводить до протікання струму в місці замикання на землю при
підживленні дуги Ікз, а після згасання дуги – до появи індукованої напруги у
відключеній фазі UВ [11].
Значення Ікз і UВ залежать насамперед від номінальної напруги лінії і
довжини ПЛ, а також від її конструкції і кількості, встановлених на лінії
шунтуючих реакторів (в т.ч. керованих) [21, 23]. У міру збільшення
номінальної напруги і довжини лінії зростають струм підживлення, гасіння
дуги збільшується, тривалість горіння дуги може перевищувати час,
необхідний для підтримки динамічної стабільності системи.

53
3.2 Вплив відновлюючої напруги відключеної фази лінії після
загасання дуги на ефективність паузи АПВ

Розрахунки режиму безструмової паузи при АПВ повітряних ліній
проводять не лише для оцінки можливості самозагасания струму
підживлення дуги в місці КЗ і вибору спеціальних заходів, що забезпечують
її гасіння, а також і для перевірки відсутності появи неприпустимого
підвищення напруги на відключеній фазі (відновлюючої напруги) після
загасання дуги має важливе значення у випадках [2, 3]:
- для виключення пошкоджень ізоляції приєднаного до ПЛ
устаткування (ОПН, трансформаторів напруги, реакторів, вимикачів тощо;
- для виключення повторних пробоїв в місці пошкодження ізоляції.

3.3 Оцінка кратності відновлюючої напруги при відключенні фази КШР

Проведення розрахунку відновлюючої напруги, коли в якості заходів зі
зниження величини струму підживлення дуги розглядається варіант
відключення фази КШР, при цьому доцільно розглядати два випадки: а)
випадок, коли на лінії передбачається установка КШР, як єдиний засіб
компенсації реактивної потужності; б) випадок, коли на лінії окрім КШР
встановлюється некерований ШР.
Якщо на лінії шунтуючий реактор не встановлений, то для визначення
кратності відновлюючої напруги може бути використана схема заміщення
мережі [16], яка представлена на рис. 3.1.
Кратність відновлюючої напруги 50 Гц на відключеній фазі може бути
отримано на підставі еквівалентної схеми, представленої на рис. 3.2.

U b  δ  δ
a = ⋅cos  ⋅e 2 . (3.1)
Ea 2 ⋅bm ⋅b0  2 
54

Рис. 3.1. Схема заміщення мережі для розрахунку відновлюючої напруги
на відключеній фазі після гасіння дуги в циклі АПВ на лінії без
реакторів

На підставі виразу (3.1) можна зробити висновок, що для лінії, яка
працює із кутом передачі потужності δ <(5…7) ел.градусів при відключенні
фаз(и) КШР з метою виключення негативного впливу трикутника КО КШР
на струм підживлення дуги в циклі АПВ, а також за відсутності на лінії ШР,
кратність відновлюючої напруги складає 0,1, що є допустимим значенням.
В тому випадку, якщо на лінії окрім КШР є ШР зі встановленим
компенсаційним реактором в його нейтралі, кратність напруги при частоті 50
Гц на відключеній фазі може бути визначена на підставі схеми рис. 3.2, а. З
врахуванням проведених перетворень (рис. 3.2, б) отримана схема
еквівалентна початковій (рис. 3.2, в).
Розрахунок для еквівалентної схеми (рис. 3.2), в дозволяє визначити
кратність підвищення напруги на відключеній фазі:

ШР
bm ⋅
X N
U l − (X ШР + 3X ШР ) ⋅ X ШР δ
a = 1 N 1 ⋅cos δ 
  ⋅e 2 . (3.2)
Ea x1 + X ШР
N
( ШР ШР ) ШР − (2 ⋅ l ⋅b + l ⋅b )  2 
X1 + 3X N ⋅ X m
1

55
Використовуючи вирази (3.2) для розглянутої в роботі лінії 500 кВ,
побудована серія залежностей на відключеній фазі від довжини лінії з
урахуванням різних значень опору компенсаційного реактора [23], який
встановлений на нейтралі ШР.

Рис. 3.2. Схема заміщення мережі для розрахунку відновлюючої
напруги на відключеній фазі після згасання дуги в циклі АПВ з обліком
установки ШР

3.4. Оцінка кратності відновлюючого значення напруги при
шунтуванні трикутника компенсаційної обмотки фази КШР

Вираз, що визначає кратність напруги при 50 Гц на відключеній фазі
для даного випадку з урахуванням компенсаційних реакторів в ШР і КШР
може бути отримано на підставі розрахунку схеми рис. 3.3, яка складена по
аналогії з рис. 3.2.
56

Рис. 3.3. Схема заміщення мережі для розрахунку відновлюючої напруги
на відключеній фазі після гасіння дуги в циклі АПВ за наявності на лінії
ШР і КШР
На підставі виразу

ШР ШР
bm ⋅
X N X N
U l − (X ШР ШР ШР −
+ 3X ⋅ X X УШР + 3X УШР ⋅ X ШР δ
a ) ( )
= 1 N 1 0 N 0
ШР УШР ШР ⋅cos δ  ⋅e 2 ,
Ea x  
1 + X N xN + X N  2 
(X ШР + 3X ШР ) + − (2 ⋅ l ⋅b + l ⋅b )
1 N ⋅ X ШР (X УШР + 3X УШР
1 0 N ) ⋅ X ШР m
0

можуть бути побудовані серії залежностей кратностей відновлюючої напруги
з врахуванням різних опорів компенсаційних реакторів в нейтралях ШР і
КШР (рис. 3.3). На рисунках компенсаційний реактор в нейтраль КШР не
встановлений.
Відзначимо, що дані графіки побудовані для режиму роботи лінії, який
близький до режиму неробочого ходу.

57

Рис. 3.4. Кратність відновлюючої напруги на відключеній фазі після
гасіння дуги в циклі АПВ зі встановленими на лінії ШР і КШР
(трикутник КО шунтований). Опір компенсаційного реактора ШР
лежить в межах 0…300 Ом

Вираз для визначення кратності відновлюючої напруги на відключеній
фазі лінії після гасіння дуги в циклі АПВ для випадку, коли для зниження
величини струму підживлення дуги при установці на лінії має вигляд

b ⋅ X ШР X ШР
N N
m
U l − (X ШР
1 + 3X ШР
a N ) −
⋅ X ШР
1 (X УШР + 3X УШР ШР δ
= 0 N ) ⋅ X 0 ⋅cos δ 
  ⋅e 2
E x ШР УШР ШР ,
a 1 + 2X N + xN + X N − (2 ⋅ l ⋅b + l ⋅b  2 
(X ШР + 3X ШР ) ⋅ X ШР (X УШР + 3X УШР ) ⋅ X ШР m )
1 N 1 0 N 0

Вираз для визначення кратності відновлюючої напруги

Ua 1 3Z δ δ
= − 0 ⋅cos 
 ⋅e 2 .
Ea 2Z0 + Z1  2 

58
Щоб з'ясувати їх можливі характеристики і недоліки, було досліджено
наступні характеристики:
- регулювальна характеристика (залежність струму мережевої обмотки
від кута α );
- залежність коефіцієнта гармонійних спотворень від кута α ;
- гармонійний спектр струму.
Регулювальна характеристика (рис. 3.5) розглядається по всьому
робочому діапазону α : від 150° до 180°. Номінальний струм при куті α , що
дорівнює 150°.
Ця залежність показана на рис. 3.6. З графіка видно, що гармонійні
спотворення струму в цьому реакторі дуже великі, величина значень KÑ
складає близько 60 при 172 °. Цей рівень спотворення на порядок перевищує
гранично допустиме значення спотворень, отже, абсолютно неприйнятний
для електричних мереж. Необхідно приймати заходи для зменшення вищих
гармонік струму.

Рис. 3.5. Регулювальна характеристика, залежність Kс від кута
відмикання тиристорів α

59

Рис. 3.6. Залежність Kс струму мережевої обмотки від α

На рис. 3.7 показана залежність відношення k-ої складової гармоніки
струму до струму основної частоти SCRT від кута розмикання тиристорів.

Рис. 3.7. Залежність відношення k-ої гармоніки складової струму до
струму основної частоти КШРТ від α

Найбільшу величину складає струм 5, 7, 11 гармонік. З графіка видно,
що найбільший вплив для спотворення струму вносить 5-а гармоніка, її
частина перевищує частину будь-якої іншої гармоніки. Із збільшенням кута
60
α α =180° (при α =180° протікає
струм неробочого ходу). Максимальне значення 7-ої гармоніки не перевищує
1,5%, 11-й – 1%.
Для вирішення проблем пов'язаних із використанням двох вторинних
обмоток фахівцями ПрАТ «Запоріжтрансформатор» було розроблено модель
реактора РКТРВД-50000/220 [12]. Позначення: Р – реактор, К – компенсатор,
Т – трифазний, Р – із розділеними обмотками, В – з обмотками клапана, Д –
система охолодження з примусовою циркуляцією повітря; 50000 –
номінальна потужність, кВА, 220 – номінальна напруга мережевої обмотки,
кВ.
У дві обмотки реактора ввімкненні тиристори. Структурно МО і ВО
концентричні по відношенню одна відносно іншої, а ВО коаксіальні по
відношенню одна відносно іншої. З'єднання ВО із зіркою, а іншої в
трикутник, визначається кількість поворотів співвідношенням

w2∆
w = 3.
2Y

Електрична схема реактора приведена на рис. 3.8.
Вторинна напруга зміщена одна відносно іншої на кут 30°, що дає
можливість здійснювати управління тиристором по 12-імпульсній схемі.
Однією з основних переваг 12-імпульсної схеми при використанні в цих
умовах є відсутність в струмі, окрім третьої гармоніки з цифрами 6(2n −1) ±1
(тобто 5, 7, 17 і так далі) [40]. Таким чином, загальний рівень спотворень
значно зменшується.
Імітаційна модель (рис. 3.9) була створена із використанням тієї ж
методології, що і РКВДТ-50000/110. Для імітації електромагнітної частини
використовувався трифазний трьохполюсний трансформатор. Системи
управління працюють від одного загального постійного блоку – щоб
забезпечити однаковий кут розблокування для всіх тиристорів.

61

Рис. 3.8. Електрична схема РКТРВД-50000/220

Для обчислення використовується метод Рунге-Кутта [9]. Цей метод
призначений для розв’язку складних систем та є найбільш ефективний для
даних умов дослідження, причому його точність достатня. При використанні
інших методів час розв’язку значно збільшується [20].

Рис. 3.9. Simulink-модель дослідження РКТРВД-50000/220
62
При моделюванні було отримано регулювальну характеристику (рис.
3.10) на всьому робочому діапазоні α : від 150° до 180°. Вид характеристики
аналогічний РКТВДЦ-50000/110.
Також в процесі моделювання було отримано залежність Kс струму
мережевої обмотки від α – рис. 3.11.
Максимальне гармонійне спотворення при α ≈ 175°. Рівень
спотворення в два рази нижчий, ніж в реакторі з подвійною обмоткою, але
він все ще дуже високий. Цей реактор також вимагає компенсації вищих
гармонік.

Рис. 3.10. Регулювальна характеристика РКТВДЦ-50000/110

Рис. 3.11. Залежність Kс струму мережевої обмотки від α

63
Як і очікувалося, гармонійний аналіз показує, що найбільше значення
має струм 11 і 13 гармонік.
Для вирішення цієї проблеми до паралельно ввімкненим блокам
тиристорів в кожній фазі підключаються нелінійні опори (НО).

Рис. 3.12. Підключення НО до блоків тиристорів

Для порівняння була вибрана залежність струму для підключених
обмежувачів перенапруг для реактора РКВДТС-50000/110 (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Залежність Kс струму мережевої обмотки від α при
підключених НО

Із графіка можна зробити висновок, що наявність ввімкнених НО
знижує рівень гармонійних спотворень, причому їх рівень знаходиться в
межах, що визначаються ДСТУ 3681-98. Слід також відзначити, що наявність
ввімкнених НО призводить до збільшенням α . На рис. 3.14 показана
64
залежність коефіцієнта k-ої гармонійної складової струму від струму
основної частоти від кута розмикання тиристора при підключеному
розряднику.

Рис. 3.14. Залежність відношення k-ої гармонійної складової струму до
струму основної частоти КШРТ від α

Щоб оцінити ефект підключення НО в реакторі РКТРВД-50000/220, на
рис. 3.15 приведена залежність Kс струму мережевої обмотки від α .

Рис. 3.15. Зміна коефіцієнта спотворення Kс струму мережевої обмотки
від α при підключенні НО

65
3.5. Висновки до розділу 3

У розділі 3 розглянуто Simulink-моделі двох типів реакторів:
двохобмоткового РКВДТС-50000/110 і триобмоткового РКТРВД 50000/220, а
також проведено аналіз їх роботи. При проведені імітаційного моделювання
було отримано: регулювальні характеристики; графіки залежності
коефіцієнта гармонійного спотворення Kс від кута α ; графіки залежності
відношення k-ої гармонійної складової струму до струму основної частоти
КШРТ від α . Результати експерименту з використанням імітаційного
моделювання підтверджують теоретичні дані: відсутність в РКТРВД-
50000/220 гармонік, які кратні трьом, а також порядку 6(2n −1) ±1. Аналіз
спектру гармонійного струму показав, що рівень спотворення струму в
реакторі може бути майже в два рази нижче, ніж в реакторі з двома
обмотками. Але отримані результати не є остаточними щодо встановленого
ДСТУ 3429-96.
Одним із найпростіших та найефективнішим способом вирішення цієї
проблеми є підключення обмежувачів перенапруги до паралельно
ввімкненим блокам тиристорів в кожній фазі обмоток реактора. Це дозволяє
знизити рівень гармонійних спотворень, причому їх рівень знаходиться в
межах, що визначаються ДСТУ 3429-96. Крім того, це технічно найкращий
шлях, оскільки обмежувачі перенапруг включені зі сторони низької напруги.
Порівнюючи різні варіанти заходів впливу на КШР в циклі АПВ, які
застосовуються для обмеження величини струму підживлення дуги КЗ, слід
зазначити, що можливі резонансні перенапруги на відключеній фазі після
гасіння дуги виникають при різній довжині ліній електропередач. Установка
компенсаційних реакторів ШР або КШР в нейтралях, істотно впливає на
напругу, що з'являється на лінії після загасання дуги. Крім того, вибраний
варіант є ефективним для зниження величини струму підживлення дуги при
заданій довжині лінії, і може бути недопустимий з точки зору істотного
66
значення відновлюючої напруги і, як наслідок, великої вірогідності
повторних пробоїв дугового проміжку.
Так, наприклад, при розгляданні варіанту, коли на лінії довжиною
менше 300 км. встановлюються два компенсуючі пристрої (ШР і КШР),
відключення фази КШР ефективно знижує величину струму дуги. Однак,
виходячи із графіків кривих кратності відновлюючої напруги, при довжинах
ліній 150-250 км. (залежно від опору компенсаційного реактора)
використання двох компенсуючих пристроїв небезпечно із точки зору
виникнення резонансних перенапруг.
Також необхідно відмітити, що у багатьох випадках діапазон
виникнення резонансного підвищення напруги невагомий, тому при виборі
того або іншого заходу для забезпечення ефективного АПВ, враховуючи
можливі похибки, які пов'язані із прийнятими припущеннями, доцільно
проводити розрахунки для довжин ліній, які наближені до розглянутих у
даному розділі.

67
РОЗДІЛ 4
РОЗРОБКА ЗАХОДІВ ЩОДО ЗБІЛЬШЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ЗАСТОСУВАННЯ КШР 110 КВ В ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ

На рис. 4.1 приведена схема електричних з'єднань типового керованого
підмагнічуванням реактора типа РТУ-25000/110 [12].
На схемі, представлено наступне устаткування, що входить до складу
КШР серії РТУ-25000/110-УХЛ1:
1. РТДУ – електромагнітна частина реактора типа РТДУ-25000/110
з вбудованими тиристорним перетворювачем;
2. ПП - напівпровідниковий трифазний перетворювач ППМ-
200/750;
3. САУ – система автоматичного управління реактора;
4. ОМ – трансформатор перетворювача типа ОМ-200/22/0,22;
5. ТМО – трансформатор початкового підмагнічування ТМО-
2,5/0,4/0,012;
6. Запобіжник типу ПКТ 101-10-31,5-12,5;
7. УЗП – пристрій захисту від перенапруг;
8. ДПТ – датчик постійного струму;
9. ДПН – датчик постійної напруги.
Реактор складається із трифазної електромагнітної частини РТДУ з
двома обмотками (МО і ОУ), системи підмагнічування, яка складається з
двох однакових однофазних трансформаторів перетворювача ОМ-200/22/0,22
та напівпровідникового перетворювача ППМ-200/750 в єдиній конструкції,
що підключається через запобіжники до виводів змінного струму РТДУ, а
також системи автоматичного управління (САУ). До складу системи
підмагнічування (для попереднього підмагнічування реактора при
включенні) входять трансформатори початкового підмагнічування ТМО-
2,5/0,4/-0,012 потужністю 2,5 кВт, які отримують живлення від
68
трансформаторів власних потреб підстанції 0,4 кВ через автоматичні
вимикачі або контактора.
У цих реакторах первинна МО виконується паралельними гілками із
вводом всередину обмотки та з'єднується за схемою «подвійна зірка із
заземленою нейтраллю» (для реакторів 110 кВ в мережах з глухозаземленою
нейтраллю) по аналогії з КШР вищих класів напруги. Зі сторони нейтралі
МО встановлено тільки один загальний ввід заземлення, тобто фактично в
ланцюзі циркуляції струмів нульової послідовності (НП), які з'являються
тільки при однофазних КЗ.
Секції ОУ, розташовані під відповідними секціями МО, що сполучені
послідовно для груп правих і лівих стержнів магнітопроводу і об'єднані
паралельно в схему «подвійного розімкненого трикутника». Останнє
дозволяє одночасно компенсувати в «трикутнику» третю гармоніку (і кратні
їй), виключаючи її із споживаного реактором мережевого струму, а також
забезпечувати підмагнічування реактора від перетворювачів через
еквіпотенційні по змінній напрузі вершини «подвійного трикутника» ОУ.
Окрім напівпровідникового перетворювача до еквіпотенційних точок
обмотки управління КШР підключаються два активні опори, середня точка
яких заземлена. Номінальні значення кожного опору складають 1,7 Ом.
Призначення вказаних резисторів полягає в забезпеченні шляху протікання
струму при нештатному обриві ланцюга постійного струму в режимах
навантажень.
Виводи з'єднаних вершин «трикутника» ОУ, що не знаходяться під
напругою, сполучені з виходами однофазних випрямлячів із вбудованими
заземлюючими резисторами. Проміжні точки гілок «трикутника» ОУ, на
яких присутня змінна напруга (приблизно 22 кВ в режимі ХХ), мають виводи
для підключення однофазних трансформаторів ОМ-200/22/0,22 системи
підмагнічування.

69

Рис. 4.1. Спрощена схема електричних з'єднань типового КШР 25 МВАр
110 кВ
70

Рис. 4.2. Конструкція фази КШР 110 кВ: 1 – основний (робочий стержень);
2– бічне ярмо; 3 – мережева (реакторна) обмотка

4.1 Розробка заходів, що дозволяють збільшити швидкодію КШР
110 кВ

Зворотною стороною зміщення обмоток є відносно низька швидкодія
пристрою, яка обумовлена наявністю вказаних прямих електромагнітних
зв'язків між обмотками, що призводить до появи зрівнюючих випрямлених
струмів в мережевій обмотці в перехідних режимах, які перешкоджають
швидкій зміні струму МО КШР, а відповідно, зміні потужності реактора.
Крім того, виконання КШР з єдиною вторинною обмоткою негативно
впливає на можливість встановлення в паралельних гілках МО

71
трансформаторів струму і реалізації для неї подовжніх і поперечних
диференціальних струмових захистів.
Встановлена напруга для КШР складає 0,98 в.о. від підсилення напруги
в зоні управління. Постійна часу СШП для встановлення і скидання
потужності при розрахунках лежить в достатньо широкому діапазоні (0,1.1,0
с.). Результати розрахунків перехідних процесів показали, що використання
СКРП на основі КШР з постійною часу менше 1 с. дозволяє підвищити
рівень динамічної стійкості, тобто збільшити допустиму тривалість
короткого замикання не менше 1,5 разів [19, 22]. Порушення динамічної
стійкості відбувається із першою осциляцією кутів при тривалості короткого
замикання (0,1 с. замість 0,04 с.).
Крім того, слід підкреслити, що згідно розробленому в 2004 році ПРАТ
«ЗТР» [12] технічні характеристики швидкості навантаження/розвантаження
потужності реактора для класу напруги 110 кВ не повинні перевищувати 1 с.
Процес налагодження потужності із максимальною швидкістю для
конструкції КШР типу РТУ-25000/110 [22] показаний на рис. 4.3, де поле 1 є
струмом однієї фази МО, поле 2 – струм в ОУ КШР.
Збільшення вихідної напруги перетворювача, наприклад, 500 кВ КШР,
не приводить до збільшення швидкісних характеристик. Збільшення
значення U0U прискорює збільшення струму в ОУ, причому струм МО є
незначним.
Проведені на розробленій моделі КШР 25 МВАр 110 кВ дослідження
свідчать про те, що непропорційне збільшення струму в ОУ і МО викликано
перехідними процесами, які виникають в секціях МО, і відповідно в
нейтралях МО, при набиранні реактором потужності.
На рис. 4.4 показаний процес зміни діючого значення струму в одній із
нейтралей МО при набиранні реактором потужності із максимальною
швидкодією. Процес в другій нейтралі повністю аналогічний, але
протилежний за знаком. Таким чином, сумарне значення струму нейтралі МО
близький до нуля.
72

Рис. 4.3. Струми в мережевій обмотці і обмотці управління при
набиранні потужності КШР

Рис. 4.4. Зміна діючого значення струму в нейтралі мережевої обмотки
при зміні потужності КШР від 5-100% з максимальною швидкодією

З представленого вище процесу зміни струму в нейтралі МО видно, що
характер зміни струмів в ОУ і нейтралі МО на інтервалі [0,5; 0,9] дуже схожі.
Таким чином, під час переходу роботи перетворювача на номінальний кут
управління, який відбувається у момент часу 0,9 сек., а також у міру
наближення мережевого струму до свого номінального значення, струм IN
знижується.
Проведені на розробленій комп'ютерній моделі КШР 110 кВ
розрахунки показують, що найбільш оптимальним із точки зору збільшення
швидкодії реактора, є установка в нейтралі МО активних опорів, номінальне

73
значення яких складає 10 Ом. Збільшення номінального значення опору
більш за вказане значення не призводить до значного покращення
результату, що буде наведено нижче.
Спрощена схема електромагнітної частини КШР 25 МВАр 110 кВ з
урахуванням встановлених в нейтралях 2-х резисторів 10 Ом представлена на
рис. 4.5.

Рис. 4.5. Спрощена схема електромагнітної частини КШР 25 МВАр 110
кВ з врахуванням встановлених в нейтралях МО активних опорів

Нижче, на рис. 4.6, представлений процес набирання КШР потужності
5-100 % з максимальним для даного типу КШР швидкодією, а також з
врахуванням встановлення активних опорів 10 Ом в кожній з нейтралей
мережевої обмотки. Випрямлена напруга перетворювача повністю відповідає
напрузі ПП, яку було прикладена до виводів ОУ при дослідженні процесів в
реакторі без врахування встановлення резисторів. З рис. 4.6 видно, що
установка демпфуючих опорів в мережевій обмотці дозволяє скоротити час
набирання реактором потужності 5-100% більш ніж в 4 рази (складає 0,75 с.),
74
при цьому збільшення струму мережевої обмотки до номінального значення
пропорційно збільшенню струму в обмотці управління.
На рис. 4.6 поле 1 – струм однієї фази мережевої обмотки, поле 2 –
струм в обмотці управління КШР, поле 3 – діюче значення струму в нейтралі
мережевої обмотки.

Рис. 4.6. Процес набирання КШР 110 кВ потужності 5-100% з
максимальною швидкодією із врахуванням встановлення активних
опорів 10 Ом в нейтралях МО

Вище було відмічено, що установка активних опорів в нейтралях
мережевої обмотки є найбільш оптимальним заходом з точки зору
збільшення швидкісних характеристик КШР так і для вибору номінальних
значень вказаних резисторів. Приведемо декілька прикладів, на підставі чого
були зроблені такі висновки. На рисунках 4.7. і 4.8. зображено процеси
набирання потужності КШР 110 кВ із максимальним для даного типу

75
реактора вихідною напругою ПП та установкою в нейтралях МО активних
опорів 5 Ом і 20 Ом відповідно.
На рисунках 4.7-4.8 поле 1 – струм однієї фази мережевої обмотки,
поле 2 – струм в обмотці управління КШР, поле 3 – значення діючого струму
в нейтралі мережевої обмотки.

Рис. 4.7. Процес набирання КШР 110 кВ потужності 5-100% з
максимальною швидкодією та із врахуванням встановлення активних
опорів 5 Ом

76

Рис. 4.8. Процес набирання КШР 110 кВ потужності 5-100% з
максимальною швидкодією з урахуванням встановлення активних
опорів 20 Ом в нейтралях МО

Аналіз приведених на рисунках процесів вказує, що у випадку зі
встановленими в нейтралях мережевої обмотки опорів 5 Ом характерні
значення перехідних струмів великі, ніж у випадку встановлення опорів 10
Ом, максимальні значення струмів в резисторах - 50 і 35 відповідно. Проте
основною характерною відмінністю вказаних випадків є час набирання
потужності 5-100% або навпаки, яке в разі застосування опорів 5 Ом складає
1,1 с.
На підставі вище викладеного, а також із врахуванням того, що
розрахунки перехідних процесів при набиранні потужності КШР були
проведені для широкого діапазону значень опорів, слід стверджувати, що
встановлення у нейтраль МО резистора на 10 Ом є оптимальним.
Ці заходи з використанням демпфуючих опорів вносять корективу не
лише до пропорційної зміни струмів в обмотках, а й дозволяють збільшити
швидкодію реактора. Показаний процес установки реактора зі встановленими

77
в нейтральних МО активними опорами 10 Ом, в процесі набирання
потужності 5-100% з врахуванням випрямленого значення напруги, яке
збільшене до 540 В. Час протягом якого реактор отримує потужність від 5 %
до 100% складає 0,3 секунд.
На рис. 4.9 поле 1- струм однієї фази мережевої обмотки, поле 2 - струм
в обмотці управління КШР, поле 3 – діюче значення струму в нейтралі
мережевої обмотки.
Окремо необхідно зупинитися на вимогах до потужності
встановлюваних резисторів. З рис 4.6-4.7 видно, що характер зміни струму в
нейтралях із включеними активними опорами залежить від прикладеної до
виводів ОУ випрямленої напруги. На інтервалі часу [1,1; 1,4] (рис. 4.9), коли
випрямлена напруга має форсоване значення, струм IN значно більший за
значення струму, у випадку коли напруга на ОУ відповідає номінальному
куту управління.
Виходячи з вищевикладеного, слід зробити висновок, що в режимі
регулювання напруги в точці підключення КШР без врахування застосування
режиму форсованого набирання/скидання потужності, струми в нейтралях
КШР будуть незначні. Максимальне діюче значення струму в нейтралях МО
у вказаних режимах складає 10 А.
На рис. 4.9 поле 1 – струм однієї фази мережевої обмотки, поле 2 –
струм в обмотці управління КШР, поле 3 – діюче значення струму в нейтралі
мережевої обмотки.
На рис. 4.10 поле 1 – струм однієї фази мережевої обмотки, поле 2 –
струм в обмотці управління КШР, поле 3 – діюче значення струму в нейтралі
мережевої обмотки.
Окрім струмів, які виникають в режимах регулювання, у тому числі і
форсованого набирання/скидання потужності, резистори нейтралей МО
повинні бути розраховані на протікаючі струми при однофазних коротких
замиканнях реактора.

78

Рис. 4.9. Процес набору КШР 110 кВ потужності 5-100% з максимальною
швидкодією та з врахуванням встановлення активних опорів 10 Ом в
нейтралі МО і збільшеною до 500 В вихідної напруги перетворювача

Рис. 4.10. Процес набирання КШР 110 кВ потужності 5-100% з
номінальним кутом управління, а також з врахуванням встановлення
активних опорів 10 Ом в нейтралях МО

79
Оцінити струм в резисторах при близькому до КШР однофазному
короткому замиканні можна на основі методу нульової послідовності.
Складемо систему рівнянь для цього випадку:

U A −U N = jX КШР
0 ⋅ I0;

UB −U КШР
N = jX 0 ⋅ I0;
 (4.1)
UC −U N = jX КШР
0 ⋅ I0;
 КШР
U N = jZN ⋅3I0.

де X КШР
0 – індуктивний опір реактора по нульовій послідовності, для якого
враховується напруга короткого замикання МО та ОУ КШР і складає 33% та
може бути розрахований як:
2
X КШР U
= K U
⋅ ном
0 =139 Ом.
100% Qном.КШР

При розрахунку схем нульової послідовності справедливий вираз:

U A +UB +UC = 3U0. (4.2)

З урахуванням того, що U A = 0;UB = EB ;UC = EC , то (4.2) може бути
перетворено:

U0 = 1
3U A +U EA
B +UC = − 3 . (4.4)

Тоді загальний розв’язок системи рівняння (4.1) і (4.3) дозволить
визначити струм I0 що протікає у фазах реактора при однофазному КЗ:

80
I E
0 = ( ) , (4.4)
3 jX КШР КШР
0 + 3ZN

де Z КШР
N – еквівалентний опір нейтралі КШР.
Оскільки в цьому розділі розглядаються заходи щодо збільшення
швидкодії КШР з використанням встановлення резистивних опорів в кожній
нейтралі КШР, номінальні значення яких складають 10 Ом, то тоді для
даного випадку справедливо, що jX КШР + 3Z КШР КШР
0 N ≈ jX 0 отже, (4.4) може
бути записано як

I E
0 = КШР . (4.5)
3 jX 0

З урахуванням вищевикладеного, струм, що протікає в кожній з
нейтралей МО може бути знайдений

I 2 E
N = I = A
0 =181 A.
3 2 jX КШР
0

4.2 Аналіз напруг, які виникають на виводах обмотки управління
при подачі напруги на КШР 110 кВ

Відзначимо, що найбільші значення перенапруг, які з'являються на ОУ
виникали при включенні КШР 500 кВ у момент проходження напруги в
одній із фаз через 0 після відключення реактора із режиму споживання
номінального включення (АПВ) в якому бере участь лінійний КШР 500 кВ.
Випадки із виникненням перенапруг на ОУ реактора за участю КШР
110 кВ в циклі АПВ лінії маловірогідні, оскільки КШР 110 кВ не
застосовуються на лінії [33, 34]. Дана обставина пов'язана із відсутністю

81
необхідності обмеження перенапруг, що виникають в результаті однобічного
включення лінії 110 кВ. Проте повністю режим включення КШР без
навантаження можливий через автотрансформатор за рахунок включення
живлячої лінії 220 кВ значної довжини (див. рис. 4.11).

Рис. 4.11. Спрощена однолінійна схема мережі зі установленням КШР
110 кВ

Одним із прикладів подібної ситуації можна привести схему
електропостачання Північного гірничо-збагачувального комбінату (ГЗК),
живлення якого забезпечується від ПС 220 кВ по ПЛ 220 кВ довжиною 370
км.
Включення КШР без прив'язки до умов його експлуатації є одним з
критичних критеріїв ефективності використання КШР.
Оцінимо можливість появи перенапруг на ОУ, а також їх рівень при
включенні КШР 110 кВ за відсутності його попереднього підмагнічування.
Раніше, при дослідженні процесів при комутаціях КШР 500 кВ було
показано, що максимальний рівень перенапруг на обмотці управління
виникає при залишковій індукції в стержнях реактора відповідної індукції
номінального режиму (2 Тл). Розрахунки відповідного режиму включення
для КШР 110 кВ свідчать про те, що максимально можливий рівень
перенапруг на ОУ для даного реактора складає менше 3 кВ (див. рис. 4.9).
На рис. 4.12 поле 1 – індукції стержнів фази А, поле 2 – напруга на
виводах обмотки управління.
82

Рис. 4.12. Процеси при включенні КШР в мережу із залишковою
індукцією, що відповідає номінальній, без використання режиму
попереднього підмагнічування

Аналіз перехідних процесів при включенні КШР без врахування його
попереднього підмагнічування показує, що на виводах обмотки управління
напруга (2,95 кВ) нижча за допустиму напруга напівпровідникового
перетворювача, що складає 3,5 кВ.
Варто підкреслити, що залишкова індукція, значення якої відповідає
індукції реактора в номінальному режимі, можлива тільки для випадку
застосування КШР 110 кВ на лінії в циклі АПВ, коли реактор відключений з
номінального режиму. На сьогоднішній день на практиці відсутній досвід
застосування КШР 110 кВ на лінії, що поясниться специфікою ПЛ 110 кВ,
яка полягає в незначній зарядній потужності лінії.
Напруга, що з'являється на виводах ОУ при включенні КШР 110 кВ без
попереднього підмагнічування, буде істотно меншою 3 кВ і не призведе до
пошкодження напівпровідникового перетворювача.

83

Рис. 4.13. Процеси при включенні КШР в мережу із залишковою
індукцією 1,0 Тл без використання режиму попереднього
підмагнічування

На рис. 4.13 приведені процеси при включенні КШР 110 кВ без
використання попереднього підмагнічування із залишковою індукцією в
стержнях реактора 1 Тл. Максимальне значення напруги, що з'являється на
виводах ОУ складає 2 кВ
На рис. 4.12 поле 1 – індукції стержнів фази А, поле 2 – напруга на
виводах обмотки управління.
Додатково слід зазначити, що проведення розрахунків вказаного
режиму проводилося для нескінченно потужної системи, тобто опори
живлячої системи не враховувалося. Проведення розрахунків з урахуванням
реальних параметрів системи приведе до додаткового зниження напруги на
виводах ОУ.
На підставі вищевикладеного, можна зробити висновок про те, що для
безпечного використання напівпровідникового перетворювача та включення
керованого реактора типу РТУ-25000/110 в мережу без врахування
попереднього підмагнічування не вимагає розробки додаткових заходів.
Пояснюється дана обставина значно меншою номінальною потужністю КШР
110 кВ відносно до КШР 500 кВ і схемою з'єднання обмотки управління, яка
84
є подвійним розімкненим трикутником, до еквіпотенціальних точок якого
підключений напівпровідниковий перетворювач.

4.3 Висновки до розділу 4

Аналіз результатів дослідження проведені на розробленій Simulink-
моделі КШР 25 МВАр 110 кВ свідчать про те, що непропорційне збільшення
струму в обмотці управління та мережевій обмотці викликане перехідними
процесами, які виникають в секціях мережевої обмотки, і відповідно в її
нейтралях при набиранні реактором потужності.
Проведені дослідження та розрахунки на розробленій Simulink-моделі
КШР 110 кВ вказують, що найбільш оптимальним із точки зору збільшення
швидкодії реактора, є встановлення в нейтралі мережевої обмотки активних
опорів, номінальне значення яких складає 10 Ом. Збільшення номінального
значення опору більш за вказане значення не призводить до значного
покращення результату.
Збільшення величини прикладеної випрямленої напруги не призводить
до збільшення швидкодії реактора, при цьому збільшується швидкість
зростання струму до номінального значення в обмотці управління. Час
встановлення 5-100% потужності складає близько 4 секунд. З урахуванням
цього, запропонований в третьому розділі спосіб дозволяє збільшити
швидкодію КШР 110 кВ більше ніж у десять раз без будь-яких істотних змін
та модернізації в електромагнітній частині, а витрати на його реалізацію
мінімальні.
Дані дії дозволяють збільшити швидкодію реактора зі значенням
випрямленої напруги 500 В, яка прикладена до виводів обмотки управління
та створити набирання потужності реактора 5-100% за час 0,3 секунд.
Резистори, які мають бути встановлені, мають бути розроблені тільки
для перехідних струмів, які не виходять за межі потужності, причому

85
максимальне значення струму складає близько 85 А з врахуванням струмів
однофазного короткого замикання. Максимальний струм при однофазному
короткому замиканні який може протікати через резистор складає 181 А.

86
ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що для дослідження і розробки Simulink-моделі
керованого шунтуючого реактора у складі електроенергетичної системи
необхідно перевіряти узгодженість отриманих моделей КШР і порівнювати
результати з осцилограмами, отриманими під час моделювання. В ході
дослідження особлива увага приділялася відповідності взаємозв'язаних
значень в обмотці управління, мережевій обмотці при дослідженні в різних
режимах, а також залежно від характеристик швидкості в режимах
примусового набирання і скидання потужності.
2. Аналіз результатів моделювання повної готовності потужності з
максимальною швидкістю показує, що ефективне значення усталеного
струму в мережевій обмотці складає 282 А, а струм в обмотці управління
складає 2010 А, час набирання потужності складає 0,279 сек. При проведенні
повномасштабних випробувань заводом-виробником ПрАТ «ЗТР» аналогічні
параметри складали 274 А, 2079 А і 0,268 секунд відповідно. Таким чином,
відхилення результатів моделювання від результатів випробування не
перевищує 5%.
3. Ґрунтуючись на перевірці адекватності отриманої Simulink-моделі,
можна стверджувати, що розроблена модель типу КШР, відповідає оригіналу
і придатності для аналізу комутаційних процесів і динамічних процесів в
реакторі під час його роботи в енергосистемі. Simulink-моделі створена на
основі реальної конструкції КШР, які використовуються в даний час в
схемних рішеннях систем електропостачання України та близького
зарубіжжя. Особливістю даної моделі є врахування характеристики
намагнічення сталі, яка використовується в магнітній системі реактора.
4. Проведено дослідження з використанням Simulink-моделі двох типів
реакторів: двохобмоткового РКВДТС-50000/110 і триобмоткового РКТРВД
50000/220, а також проведено аналіз їх роботи. При проведені імітаційного
моделювання було отримано: регулювальні характеристики; графіки

87
Kс від кута α ; графіки
залежності відношення k-ої гармонійної складової струму до струму основної
частоти КШРТ від α . Результати експерименту з використанням
імітаційного моделювання підтверджують теоретичні дані: відсутність в
РКТРВД-50000/220 гармонік, які кратні трьом, а також порядку 6(2n −1) ±1.
Аналіз спектру гармонійного струму показав, що рівень спотворення струму
в реакторі може бути майже в два рази нижче, ніж в реакторі з двома
обмотками. Але отримані результати не є остаточними щодо встановленого
ДСТУ 3429-96.
5. Аналіз результатів розробки заходів щодо збільшення ефективності
застосування КШР 110 кВ в електричній мережі проведені на розробленій
моделі КШР 25 МВАр 110 кВ свідчать про те, що непропорційне збільшення
струму в обмотці управління та мережевій обмотці викликане перехідними
процесами, які виникають в секціях мережевої обмотки, і відповідно в її
нейтралях при набиранні реактором потужності.
6. Проведені дослідження та розрахунки на розробленій комп'ютерній
моделі КШР 110 кВ показують, що найбільш оптимальним із точки зору
збільшення швидкодії реактора, є встановлення в нейтралі мережевої
обмотки активних опорів, номінальне значення яких складає 10 Ом.
Збільшення номінального значення опору більш за вказане значення не
призводить до значного покращення результату.
Збільшення величини прикладеної випрямленої напруги не призводить
до збільшення швидкодії реактора, при цьому збільшується швидкість
зростання струму до номінального значення в обмотці управління. Час
встановлення 5-100% потужності складає близько 4 секунд. З урахуванням
цього, запропонований в третьому розділі спосіб дозволяє збільшити
швидкодію КШР 110 кВ більше ніж у десять раз без будь-яких істотних змін
та модернізації в електромагнітній частині, а витрати на його реалізацію
мінімальні.
88
Дані дії дозволяють збільшити швидкодію реактора зі значенням
випрямленої напруги 500 В, яка прикладена до виводів обмотки управління
та створити набирання потужності реактора 5-100% за час 0,3 секунд.
Додатково варто відзначити, що у ряді даних випадків діапазон
виникнення резонансного підвищення напруги достатньо вузький, тому при
виборі того або іншого заходів для забезпечення ефективного АПВ,
враховуючи можливі похибки, яка пов'язана з прийнятими припущеннями,
для яких доцільно провести розрахунки для різної довжини ліній.

89
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Александров, Г.М. Передача електричної енергії / Г.М. Олександров.
- 2-ге вид., 2009.
2. Андрєєв, В.А Релейний захист систем електропостачання у
прикладах та задачах 2008.
3. Андрєєв, В.А. Релейний захист та автоматика систем
електропостачання 2006.
4. Брянцев, А.М. Введення в експлуатацію унікального керованого
підмагнічуючого реактора / А.М. Брянцев, А.Г. Долгополов, А.І. Лур'є, С.В.
Уколів// Електрика. – 2004. – №4. – С. 64-68.
5. ДСТУ 3429-96 Електрична частина електростанції та електричної
мережі.
6. ДСТУ 3681-98 Сумісність технічних засобів електромагнітна.
Стійкість до дії грозових розрядів. Технічні вимоги та методи випробувань
7. ДСТУ ІЕС 60909 Струми короткого замикання у трифазних системах
змінного струму. Ч. 0. Обчислення сили струму (ІЕС 60909- 0:2001, IDТ).
Видання офіційне. Київ: Держспоживстандарт України, 2009. 51 с.
8. Дубінський, Г.Д. Налагодження пристроїв електропостачання
напругою вище 1000 В. Видання 2-ге, перероблене та доповнене / Г.Д.
Дубінський, Л.А. Левін, 2014.
9. Дияконов, В. П. MATLAB 7. Самовчитель / В.П. Дияконов. – ДМК
Прес, 2008.
10. Євдокимов, Ф.А. Загальна електротехніка / Ф.А. Євдокимов. - Вища
школа, 2004.
11.Євдокунін, Г.А. Електричні системи та мережі: навч. Посібник / Г.А.
Євдокунін. –Вид-во Політехнічного університету, 2010.
12.Запоріжтрансформатор, ЗТР - трансформатор, автотрансформатор,
силовий масляний трансформатор, шунтуючий реактор, керований
90
шунтуючий реактор, КШР [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://ztr.com.ua/.
13. Кірєєва, Е.В. Електропостачання та електроустаткування цехів
промислових підприємств / Е.В. Кірєєва. - К.: КноРус, 2011.
14. Кірєєва, Е.В. Електропостачання та електрообладнання організацій
та установ. Навчальний посібник/Е.В. Кірєєва. – К.: КноРус, 2015.
15.Кононенко, В.М Електротехніка та електроніка / В.М. Кононенко. -
Фенікс, 2008.
16.Конюхова, Є.А. Електропостачання об'єктів /Є.А. Конюхова.
Академія, 2004.
17.Корнієнко, О.М. Розробка імітаційної моделі керованого
шунтуючого реактора в системі електропостачання / О.М. Корнієнко, С.Ю.
Протасов / Збірник тез доповідей студентської науково-практичної
конференції ЧДТУ: 16-19 квітня 2018 р. [Електронний ресурс] /[ упоряд.
Мельник І.В.] ; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. –
Черкаси : ЧДТУ, 2018, с. 127.
18.Коробов, Г. А. Електропостачання. Курсове проектування.
Навчальний посібник. Видання третє, виправлене та доповнене / Г.А.
Коробов, В.С. Картавцев, Н.А. Черемесінова. – Лань, 2014.
19.Півняк Г.Г. Перехідні процеси в системах електропостачання:
Підручник для вузів. / Г.Г. Півняк, В.М. Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І.
Несен. – Дніпропетровськ, 2002. – 597 с.
20. Курбатова, Є. А. MATLAB 7. Самовчитель / Є. А Курбатова. - М:
Діалектика, 2005.
21.Куско, А.М. Мережі електропостачання. Методи та засоби
забезпечення якості енергії / А.М. Куско, Томпсон. - 2010.
22.Лучко, О.Р. Принципи математичного моделювання динамічних
процесів у керованих підмагнічуванням шунтуючих реакторах у
SimPowerSystems (Matlab) / О.Р. Лучко, М.А. Ебадіан. -Електрика, 2008.

91
23.Ополєва, Г.І. Схеми та підстанції електропостачання. Довідник/Г.І.
Опольова, 2006.
24.Правила улаштування електроустановок. ПУЕ 5-тє вид., перероб. та
доповнене. – Х.: , 2016. – 736 с.
25.Проектування електропостачання промислових підприємств. Норми
технологічного проектування. 1994.
26.Сибікін, Ю.А. Електропостачання. Навчальний посібник.
27.СОУ-Н ЕЕ 20.178:2008. Схеми принципові електричні розподільчих
установок напругою від 6 кВ до 750 кВ електричних підстанцій.
28.СОУ-Н МПЕ 40.1.20.510:2006 Методика визначення економічно
доцільних обсягів компенсації реактивної енергії, яка перетікає між
електричними мережами електропередавальної організації та споживача.
29.Хорольський, В.Г. Надійність електропостачання/В.Г Хорольський,
М.А. Таранів. – К.: Форум, 2013.
30.Чорних, І. В. Моделювання електротехнічних пристроїв у MATLAB,
SimPowerSystems та Simulink / І.В. Чорних. -ДМК Прес, 2009.
31.Шербаков, Є.В Електропостачання та електроспоживання на
підприємствах: навчальний посібник / О.В. Шербаков, Д.А. Александров,
Д.Є. Дубів. – К.: Форум, 2012.
32.Шеховцов, В.С. Розрахунок та проектування схем
електропостачання / В.С. Шеховцов. – К.: Форум, 2014.
33.Шеховцов, В.С. Довідковий посібник з електроустаткування та
електропостачання / В.С. Шеховцов. - К.:, 2006.
34.34. Шеховцов, В.С. Довідковий посібник із електроустаткування та
електропостачання. 2-ге видання/В.С. Шехцов. – К.: Форум, 2011, C.98.
35.Transmission and Distribution Electrical Engineering / C. Bayliss. -
London: Elsevier Science, 2014.
36.BHEL (Bharat Heavy Electricals Limited) Transformers, First Edition. -
McGraw Hill Education, 2000.
92
37.BHEL (Bharat Heavy Electricals Limited) Transformers, Second
Edition.- McGraw Hill Education, 2003.
38.Charles, I. Electric machines: theory, operation, applications, adjustment,
and control / I. Charles. - NJ: Prentice Hall, 2002.
39.Degeneff, R.C. Principles of power engineering and analysis / R.C.
Degeneff, M.H. Hesse. - CRC Press, 2012.
40.Farouk, A. M., Highvoltage engineering / A.M. Farouk. - CRC Press,
Taylor & Francis Group, 2014.
41.Fisher, F. Controlled 100 MVA reactor / F. Fisher, E. D. Friedlander //
GEC Journal. - 1955. - Vol. 22. - № 2.
42.Fitzgerald, A.E. Eelectric machinery / A.E. Fitzgerald, Ch. Kingsley. -
New York: Mc Graw-Hill Companies, 2014.
43.Glover, J.D. Power system analysis and design / J.D. Glover. - CRC
Press, 2012.
44.H. Electrical Power, 3 edition / H. Pooler. - Fairmont Press, 2005.
45.Harlow, J. H. Electric power transformer engineering / J. H. Harlow. -
CRC Press, Taylor & Francis Group, 2012.
46.Pansini, A. Guide to electrical power distribution systems / A. Pansini. -
Fairmont Press, 2005.
47.Protheroe, R.J. Essential Electrodynamics / R.J. Protheroe. - Fairmont
Press, 2012.
48.Protheroe, R.J. Essential Electromagnetism / R.J. Protheroe. - Fairmont
Press, 2014.
49.Reichert, K.J. Controllable reactor compensator for more extensive
utilization of hign voltage systems / K.J. Reichert, J. Kauferle, H. Glavitsh //
CIGRE. 25 Session. Report 32-17. - 1974.
50.V. Electric Drive Systems and Operation / V. Vodovozov. - Fairmont
Press, 2014.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets