Реакторы РУОМ. Опыт эксплуатации.

В1996-2000 гг. на Раменском электротехническом заводе «Энергия» было освоено серийное производство принципиально нового вида электротехнического оборудования — управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов серии РУОМ (реактор управляемый однофазный масляный) для сетей с изолированной нейтралью 6-35 кВ [1]. В 2003 г. коллективу разработчиков, включая авторов статьи, была присвоена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники за разработку и промышленное внедрение этих устройств. За прошедшее десятилетие заводом было изготовлено более 400 комплектов РУОМ, каждый из которых включает в себя систему автоматической настройки компенсации (САНК) [2], поставляемую Тольяттинским предприятием «Энергия-Т». Большая часть реакторов введена в эксплуатацию с участием шеф-инженеров этого предприятия. В настоящей статье обобщается опыт эксплуатации дугогасящих реакторов серии РУОМ в электрических сетях России и стран СНГ, а также приводятся результаты натурных сетевых и стендовых испытаний управляемых подмагничиванием дугогасящих реакторов с системами управления САНК.

В минимальный комплект заводской поставки дугогасящего реактора серии РУОМ входит электромагнитная часть со встроенным в масляный бак тиристорным преобразователем и система управления САНК, обеспечивающая функционирование комплекса в автоматическом или ручном резервном режимах. При необходимости, в случае отсутствия трансформатора с выведенной нейтралью или трансформатора напряжения на секции шин, в комплект поставки может также входить фильтр присоединения (ФМЗО — фильтр масляный заземляющий нулевой последовательности) соответствующей мощности и трансформатор напряжения (НАМИ). Для сетей напряжением 6 и 10 кВ серийно выпускаются реакторы мощностью 190, 300, 480 и 840 квар, по специальному заказу могут быть поставлены реакторы мощностью до 1520 квар напряжением до 35 кВ.

Плавное регулирование тока РУОМ в широком диапазоне обеспечивается насыщением участков магнитопровода, на которых расположены секции обмотки, с помощью встроенного тиристорного преобразователя, угол открытия которого управляется регулятором САНК в соответствии с заданным текущим значением емкостного тока замыкания на землю [1, 2]. В режиме холостого хода при отсутствии управления амплитуда переменного потока не превышает индукции насыщения стали, и ток реактора составляет несколько процентов от номинального значения. В соответствии с принципом работы магнитного усилителя, по мере вытеснения переменного магнитного потока потоком насыщения за перегиб вебер-амперной характеристики, ток реактора возрастает до номинального, когда в режиме полупредельного насыщения участков магнитопровода в течение всего полупериода переменный поток превышает индукцию насыщения, а ток реактора практически синусоидален. В промежуточных режимах в токе реактора присутствуют нечетные гармоники, преобладающей из которых является третья. За счет формирования в сплошном плоскошихтованном магнитопроводе участков переменного сечения и последовательного насыщения указанных участков величина тока искажения не превышает 5% от номинального тока реактора во всем диапазоне регулирования.

На рис. 1 показан график распределения третьей гармоники и суммарного тока искажения в зависимости от нагрузки для реактора мощностью 480 квар. Максимум тока искажения не превышает в абсолютном значении трех ампер, причем этот максимум находится в практически не используемом начальном диапазоне нагрузок. Это означает, что опасения по поводу большой величины высших гармоник в остаточном токе однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) при использовании управляемых подмагничиванием реакторов серии РУОМ безосновательны. Другим дискуссионным вопросом считался режим выхода РУОМ на требуемый ток компенсации вмомент возникновения ОЗЗ с точки зрения быстродействия, в особенности при многократных неустойчивых дуговых замыканиях. Однако переход реактора от индуктивности ждущего режима к требуемой в режиме компенсации происходит практически безынерционно, что подтверждается осциллограммами стендовых испытаний реактора при многократных включениях (рис. 2) и осциллограммами натурных сетевых испытаний РУОМ в Вологодской энергосистеме (рис. 3). На рис. 3 приведены результаты одного из опытов однофазного замыкания на землю в ходе испытаний, проведенных 1-5 июня 2007 г. в Вологодских электрических сетях на секции 10 кВ с реактором РУОМ-480 и регулятором САНК.

При возникновении ОЗЗ и появлении напряжения на нейтрали требуемый ток компенсации устанавливается с первого периода, о чем свидетельствует неизменное после высокочастотной составляющей значение остаточного тока. Несмотря на относительно неблагоприятную величину тока компенсации (23 А действующего значения при номинальном токе реактора 63 А — см. рис. 1), ток реактора практически синусоидален. Действующее значение остаточного тока замыкания составляет 3,7 А, в составе которого в основном преобладают высшие гармоники сети, третья гармоника в токе реактора (около 2 А) и активная составляющая, определяемая токами утечки кабельной сети. Активной составляющей в токе самого реактора можно пренебречь, поскольку его потери в номинальном режиме составляют около 2 %, а при токе втрое меньшем — многократно ниже. Указанное быстродействие обеспечивается дозированным подмагничиванием магнитной системыреактора от САНК через встроенный преобразователь током значением единицы ампер. При этом в ждущем режиме первый участок магнитопровода насыщен до состояния, близкого к индукции насыщения, и с появлением переменного потока в режиме ОЗЗ реактор безынерционно начинает потреблять ток, близкий к требуемому значению компенсации.

При неустойчивых дуговых замыканиях с погасанием дуги на несколько периодов магнитная система также остается насыщенной до необходимого значения как раз благодаря своей инерционности, что обеспечивает возврат к требуемому току компенсации при повторных зажиганиях дуги (см. рис. 2). Таким образом, предположения об инерционности и возможной неработоспособности реакторов серии РУОМ в режимах дуговых замыканий так же безосновательны, как и рассмотренные выше опасения по высшим гармоникам в токе реактора. Следует также заметить, что в Казахстане в течение ряда лет выпускались и продолжают эксплуатироваться управляемые подмагничиванием дугогасящие реакторы аналогичной конструкции без предварительного подмагничивания в ждущем нормальном режиме. При этом они успешно выполняют свои функции в режимах ОЗЗ, в том числе при дуговых замыканиях, хотя время их выхода на требуемый ток компенсации после возникновения повреждения составляет около 1 сек. Это объясняется тем, что при устойчивом замыкании за время менее 1 сек однофазное повреждение не успевает перейти в междуфазное.

При неустойчивом замыкании в течение первых нескольких периодов состояние магнитной системы приближается к требуемому насыщению, после чего каждое новое зажигание дуги сопровождается требуемой компенсацией по указанным выше причинам. Важным принципиальным отличием реакторов серии РУОМ от управляемых подмагничиванием реакторов других конструкций и от плунжерных реакторов являются различные состояния магнитной системы и индуктивности реактора в нормальном ждущем режиме и в режиме ОЗЗ. В нормальном режиме САНК обеспечивает подмагничивание реактора стабилизированным током до величины, соответствующей существенной расстройке компенсации, когда индуктивное сопротивление обмотки реактора примерно вдвое превышает текущее емкостное сопротивление емкости сети на землю.

Благодаря этому, во-первых, отсутствуют коммутационные перенапряжения, характерные для резонансно настроенных сетей, а, во-вторых, оказывается возможным производить непрерывное измерение текущей емкости сети на частоте, отличной от промышленной [2]. При возникновении замыкания на землю система управления переходит из режима измерений в режим точного поддержания заданного тока компенсации, в результате чего в остаточном токе присутствуют только высшие гармоники и активная составляющая тока замыкания, сумма которых не превышает нескольких ампер. Таким образом, система управления РУОМ должна обеспечивать решение двух основных задач.

1. Максимально точное измерение текущих значений емкостей фаз сети на землю (емкостной проводимости сети) в нормальных режимах работы во всем диапазоне возможных оперативных переключений независимо от возмущающих факторов — естественного смещения нейтрали, наличия высших гармоник в сети, отклонений промышленной частоты, параллельной работы с «базовыми» дугогасящими реакторами или другими РУОМ на параллельно работающих секциях подстанции и т.д.

2. Быструю и точную настройку индуктивного сопротивления (проводимости) РУОМ в резонанс с измеренной емкостной проводимостью сети после возникновения однофазного замыкания на землю и поддержание этой настройки в течение времени, допустимого для этого режима работы на данной подстанции. Принцип работы систем управления типа САНК подробно описан в [2]. В последней модификации САНК, серийно поставляемой на Раменский завод «Энергия», для измерения используется принцип зондирования сети через сигнальную обмотку реактора генератором переменной частоты. При каждом регулярно повторяющемся через 15-20 секунд измерении находится частота резонанса частично подмагниченного реактора и текущей емкости сети, после чего определяются ожидаемый емкостной ток и очередная запоминаемая уставка регулятора САНК по следующим выражениям

Iзам = (Iдгр + Iбаз ) (f50/fr)2 ,

где Iзам — ожидаемый емкостной ток при металлическом однофазном замыкании на землю;

Iдгр — известная величина тока управляемого дугогасящего реактора на данной секции шин;