Управляемый шунтирующий реактор

Управляемый шунтирующий реактор (УШР) — это электротехническое устройство, предназначенное для компенсации избыточной реактивной мощности в электрических сетях высокого и сверхвысокого напряжения, работающее в режиме плавного регулирования индуктивности. В отличие от обычных (нерегулируемых) шунтирующих реакторов, УШР позволяет изменять потребляемую реактивную мощность в широком диапазоне, обеспечивая стабилизацию напряжения и повышение пропускной способности линий электропередачи.

История

Необходимость в регулировании реактивной мощности возникла с развитием протяжённых линий электропередачи (ЛЭП) сверхвысокого напряжения (СВН) в 1960–1970-х годах. В таких линиях, особенно при малых нагрузках, возникает избыточная зарядная мощность (ёмкостный эффект), что приводит к недопустимому повышению напряжения. Первоначально для её компенсации использовались нерегулируемые шунтирующие реакторы, которые подключались и отключались коммутационными аппаратами (выключателями). Однако такой способ был дискретным, медленным и вызывал коммутационные перенапряжения.

Первые разработки управляемых реакторов начались в СССР в 1970-х годах в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) и Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ). В 1980-х годах были созданы опытные образцы с подмагничиванием постоянным током. В 1990-х годах, после распада СССР, работы продолжились в России (в частности, в ООО «НПП «ЭКРА», ОАО «Электрозавод» и на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ»). Первый промышленный образец УШР на напряжение 500 кВ был введён в эксплуатацию в 2005 году на подстанции «Барабинская» в Новосибирской области.

Принцип действия

Основой УШР является магнитная система с управляемым подмагничиванием. Конструктивно он представляет собой трансформатор с тремя обмотками: сетевой (основной), компенсационной и управляющей (подмагничивания). Сетевая обмотка включается в линию, а управляющая питается от источника постоянного тока.

Регулирование индуктивности

Изменение индуктивности УШР достигается за счёт насыщения магнитопровода. При подаче постоянного тока в управляющую обмотку создаётся дополнительное магнитное поле, которое изменяет степень насыщения стали сердечника. Чем выше ток подмагничивания, тем сильнее насыщение и тем меньше индуктивность сетевой обмотки (и, соответственно, больше потребляемая реактивная мощность). При отсутствии тока подмагничивания реактор работает в режиме минимальной мощности (близкой к нулю), а при максимальном токе — в режиме номинальной мощности.

Схемы управления

Различают два основных типа управления:

• Поперечное подмагничивание — управляющая обмотка расположена на стержнях, перпендикулярных основному магнитному потоку. Этот метод требует меньшей мощности управления, но сложнее в реализации.
• Продольное подмагничивание — управляющая обмотка расположена на тех же стержнях, что и сетевая. Мощность управления выше, но конструкция проще.

В современных УШР применяется тиристорное управление: ток подмагничивания регулируется с помощью тиристорных выпрямителей, что обеспечивает высокое быстродействие (единицы миллисекунд).

Классификация

УШР классифицируются по нескольким признакам:

По напряжению

• Среднего напряжения (35–110 кВ) — используются в распределительных сетях.
• Высокого напряжения (220–330 кВ) — применяются в магистральных сетях.
• Сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше) — устанавливаются на линиях электропередачи большой протяжённости (например, 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ).

По конструкции магнитной системы

• Стержневые — наиболее распространённые, с тремя или четырьмя стержнями.
• Броневые — реже применяются, обеспечивают лучшее использование стали.
• Трансформаторного типа — с отдельными обмотками на разных стержнях.

По способу регулирования

• С подмагничиванием постоянным током — классический тип.
• С тиристорным управлением (ТУШР) — современный вариант, где регулирование осуществляется за счёт изменения угла открытия тиристоров, включённых последовательно с реакторной обмоткой (без подмагничивания). Такие устройства называют также статическими тиристорными компенсаторами (СТК).

Устройство и основные компоненты

Типовой УШР включает:

• Магнитопровод — шихтованный сердечник из электротехнической стали (холоднокатаной, анизотропной).
• Сетевая обмотка — из медного или алюминиевого провода, рассчитана на полное напряжение сети.
• Управляющая обмотка — расположена на отдельных стержнях или на тех же, что и сетевая; питается от источника постоянного тока.
• Компенсационная обмотка — служит для фильтрации высших гармоник, возникающих при насыщении магнитопровода.
• Система управления — включает тиристорный выпрямитель, контроллер, датчики тока и напряжения.
• Система охлаждения — масляная (для наружной установки) или воздушная (для закрытых помещений).
• Устройства защиты — от перенапряжений, коротких замыканий, перегрузок.

Применение

УШР используются в энергосистемах для решения следующих задач:

Стабилизация напряжения

В линиях СВН при малых нагрузках (например, в ночное время) напряжение может превышать допустимые значения на 10–20 %. УШР автоматически потребляет избыточную реактивную мощность, снижая напряжение до нормы.

Увеличение пропускной способности ЛЭП

Компенсация зарядной мощности позволяет передавать по линии большую активную мощность без риска повышения напряжения. Это особенно актуально для транзитных линий (например, «Сибирь — Урал»).

Снижение потерь электроэнергии

Регулирование реактивной мощности уменьшает токи в линиях и трансформаторах, что снижает активные потери (на нагрев проводов).

Повышение устойчивости энергосистемы

Быстродействие УШР (менее 0,1 с) позволяет парировать резкие изменения режима, например, при аварийных отключениях линий или генераторов.

Примеры установок

• Подстанция «Барабинская» (500 кВ, Новосибирская область) — первый промышленный УШР в России.
• Подстанция «Волга» (500 кВ, Самарская область) — установлены УШР мощностью 180 МВАр.
• Подстанция «Москва-500» (500 кВ) — используются для регулирования напряжения в Московском энергоузле.
• ЛЭП 750 кВ «Ленинградская — Кольская» — УШР на подстанции «Кольская».

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Плавное регулирование реактивной мощности в диапазоне от 0 до 100 %.
• Высокое быстродействие (время реакции — единицы миллисекунд).
• Отсутствие движущихся частей (высокая надёжность).
• Возможность работы в автоматическом режиме без участия персонала.
• Снижение числа коммутационных операций с выключателями.

Недостатки

• Более высокая стоимость по сравнению с нерегулируемыми реакторами (в 1,5–2 раза).
• Генерация высших гармоник в токе (требуется установка фильтров).
• Потери мощности в системе управления (до 1–2 % от номинальной мощности).
• Большие габариты и масса (для УШР 500 кВ масса может достигать 200–300 тонн).

Развитие и перспективы

В России и мире продолжается совершенствование УШР. Основные направления:

• Создание тиристорно-управляемых шунтирующих реакторов (ТУШР) без подмагничивания — они компактнее, дешевле и не генерируют гармоник.
• Применение высокотемпературных сверхпроводников — позволяет снизить потери и массу.
• Интеграция с системами Smart Grid — УШР становятся частью интеллектуальных сетей, способных адаптироваться к изменяющимся режимам.

В 2020-х годах в России введены в эксплуатацию несколько ТУШР на напряжение 220–500 кВ (например, на подстанции «Тобол» в Тюменской области). Планируется их установка на линиях 750 кВ и 1150 кВ для обеспечения транзита электроэнергии в центральные регионы страны.

Интересные факты

• Первый в мире опытный образец УШР был испытан в 1979 году на подстанции «Октябрьская» в Ленинградской области.
• Мощность крупнейших УШР в России достигает 300 МВАр (подстанция «Барабинская»).
• УШР способны работать в режиме «глухого» насыщения, когда их индуктивность снижается до 10–15 % от номинальной.
• В отличие от синхронных компенсаторов, УШР не имеют вращающихся частей, что делает их более надёжными в условиях низких температур (например, в Сибири).

Источники

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
• ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
• Кадомская К. П., Лавров Ю. А., Рейхердт А. А. «Электрооборудование высокого напряжения». — Новосибирск: НГТУ, 2015.
• Шабад М. А. «Регулирование напряжения в электрических сетях». — М.: Энергоатомиздат, 2008.
• Материалы научно-технических конференций «Релейная защита и автоматика энергосистем» (2010–2023).
• Отчёты ОАО «ФСК ЕЭС» (ПАО «Россети») о внедрении УШР на подстанциях 500 кВ.