Фазосдвигающий трансформатор для экономии электроэнергии

Как сделать самому прибор для экономии электроэнергии

Когда появляется спрос на какой-то продукт, появляется и предложение. Постоянно растущие цены на электричество породили большое количество «чудо-приборов» (к примеру, Electricity saving box), обещающих уменьшение расхода энергии чуть ли не вдвое. Их действие основывается на преобразовании в активную реактивной энергии. Однако, схема таких приборов настолько проста, что практически любой не чуждый технике человек способен сделать экономитель электроэнергии своими руками.

Содержание статьи

Самодельное устройство для экономии электроэнергии, принцип действия

Основополагающим принципом является то, что любая электрическая мощность состоит из реактивной и активной энергии. Активная полезна в быту, она приводит в действие все механизмы. Реактивная же, наоборот, бесполезна и даже снижает эффективность энергосистемы. Приборы учета (механические и электрические счетчики) определяют только количество использованной активной энергии, за которую платят бытовые потребители.

Промышленные же предприятия платят и за реактивную энергию, которая измеряется специальными счетчиками. Она создается механизмами с высокой индуктивной составляющей (например, электродвигателями), и на заводах и фабриках ее количество уменьшают с помощью специальных конденсаторных установок.

Учитывая вышеописанное, идеи о том, как сделать самому приспособление для экономии электроэнергии, витали в воздухе. В быту источники реактивной энергии – это обычные механизмы с электродвигателями (кухонный комбайн, фен, пылесос, холодильник, дрель). С другой стороны, есть устройства, которым нужен постоянный ток (телевизоры и компьютерные мониторы). Поэтому стали разрабатывать приспособление для экономии электроэнергии, схема которого позволила бы уменьшить потребление электричества путем преобразования в активную реактивной энергии.

Теоретическое обоснование и принципиальная схема самодельного экономителя

Суть экономии состоит в том, что нагрузка питается не от сети с переменным током, а от подключенного конденсатора, заряд коего производится импульсами высокой частоты, при этом соответствуя синусоиде напряжения в сети. Электросчетчики комплектуются входным индукционным преобразователем с низкой чувствительностью к высокочастотным токам. По причине этого импульсное энергопотребление счетчиком учитывается со значительной отрицательной погрешностью.

Для создания прибора необходимы такие детали:

• микросхема (К155 ЛАЗ),
• стабилитрон (D2 -КС156А),
• диоды (D1 — Д226Б; Вr2 — Д242Б; Br1 — Д232А),
• транзисторы (ТЗ — КТ315, Т2 — КТ815В,Т1 — КТ848А),
• высокочастотные конденсаторы (С2, СЗ — 0.1 мкФ, С1- 1мкФ х 400В),
• электролитические конденсаторы (С5 — 1000 мкФ х 16В, С4 — 1000 мкФ х 50Б),
• маломощный трансформатор 220/36 В,
• резисторы (RЗ — 56 Ом; R1, R2 — 27 кОм; R5 -22 кОм; R4 — 3 кОм; R6 — 10 Ом; R7, R9 — 560 Ом; R8 — 1.5 кОм).

Сборка проводится согласно схемы 1. Транзисторы устанавливаются с использованием изолирующих прокладок на радиатор 150 кв.см. Обязательно применять плавкие предохранители. Собранный блок питания низковольтный должен давать на выходе 36 В ток 2 А и 5 В для питания генератора, который формирует импульсы ориентировочной частотой 2 кГц и с амплитудой 5 В. Во время сборки схемы нужно проверять режим работы при помощи осциллографа. После этого подключается конденсатор.

Собранное устройство рассчитывалось на нагрузку 1 кВт. Рекомендуется нагружать прибор по номиналу или отключать при снятии нагрузки, поскольку ненагруженное устройство потребляет значительную мощность, которая счетчиком учитывается.

Устройство рассчитано на питание переменным током бытовых потребителей. Мощность – 1 кВт/ч, напряжение – 220 В. Собранное устройство подключается к розетке и питает нагрузку, при этом заземление не требуется. По расчетам, при подключении такого самодельного экономителя счетчик учитывает лишь 25% потребленного электричества.

Разработана также схема 2, позволяющая питать потребителей, работающих как на постоянном, так и на переменном токе (камины, электроплиты, освещение, водонагреватели). Главным предостережением является отсутствие в таких приборах элементов, которые рассчитаны на переменный ток (трансформаторы, электродвигатели).

Приборы для экономии электроэнергии своими руками, отзывы специалистов

Специалисты обращают внимание на то, что попытка применить в домашних условиях принцип действия промышленных конденсаторных установок, накапливающих реактивную энергию, обречена на неудачу. Компенсаторы для реактивной мощности промышленные – это достаточно громоздкие устройства, рассчитанные изначально на определенную нагрузку и учитывающие целый ряд дополнительных параметров. Кроме того, в большинстве мощных домашних устройств конструктивно уже заложены достаточные по мощности улавливатели-конденсаторы реактивной энергии.

Большое количество комментаторов и специалистов указывают на то, что такого рода устройства, даже собранные сознанием дела и качественно, способны обманывать только счетчики старого индукционного типа. Электронные приборы учета энергии довольно капризные устройства и часто не выдерживают такого обхождения с собой, в них сгорают микросхемы. Это ведет к необходимости замены прибора и неприятной беседе со специалистами энергосбыта, что чревато штрафом со многими нулями.

Однако и замена счетчика – это не худшее, что может случиться, если за такую тонкую материю, как электричество берется дилетант. Учитывая зачастую не самое лучшее состояние электропроводки в российских домах и квартирах, такая самодеятельность может закончиться коротким замыканием и пожаром.

Источник

Проблемы энергоэффективности и энергосбережения в России. Информационно-аналитический обзор. Часть III.Тенденции применения фазоповоротных трансформаторов в электроэнергетике

Общая характеристика фазоповоротных трансформаторов

Фазоповоротный трансформатор (ФПТ) применяется для управления потоками активной мощности в трехфазных электрических сетях. Для идентификации данного вида электрооборудования в литературе используются также следующие термины:

• В российской литературе:
  • фазосдвигающий трансформатор (ФСТ);
  • кросс-трансформатор (КТ).
• В англоязычной литературе:
  • phase-shifting transformer (PST);
  • phase angle regulator (PAR);
  • quadrature booster (QBs).

Принцип управления энергопотоками в электрической сети

Поток активной мощности в линии переменного тока пропорционален синусу угла сдвига по фазе между вектором напряжения источника электроэнергии в начале линии и вектором напряжения приемника электроэнергии в конце линии.

Таким образом если имеется сеть линий разной мощности, то, принудительно изменяя величину угла сдвига между векторами напряжений источника и приемника электроэнергии в одной или нескольких линиях, можно перераспределять потоки мощности между линиями электрической сети. В результате появляется возможность реализации более благоприятных сценариев загрузки линий сети относительно естественного распределения потоков мощности, которое часто приводит к перегрузке маломощных линий, ограничению пропускной способности мощных линий, увеличению потерь электроэнергии и другим негативным последствиям.

Фазоповоротный трансформатор выполняет функцию принудительного изменения величины угла сдвига между векторами напряжений источника и приемника электроэнергии.

Структурная схема и экономика

Фазоповоротный трансформатор в общем случае состоит из двух отдельных трансформаторов: параллельного и последовательного (рис. 1) [1].

Рис. 1. Схема фазоповоротного трансформатора

Первичная обмотка параллельного трансформатора выполняется по схеме «треугольник», за счет чего организуется трехфазная система напряжений, сдвинутых по отношению к фазным напряжениям источника на 90°. Вторичная обмотка может быть выполнена в виде изолированных фаз с блоком отпаек, центр которого заземлен. Фазы вторичной обмотки через выход переключателя блока отпаек соединяются с первичной обмоткой последовательного трансформатора, которая обычно выполняется по схеме «звезда» с заземленной нейтралью. Вторичная обмотка последовательного трансформатора выполняется в виде изолированных фаз, которые включаются последовательно в рассечку соответствующих по фазе проводов линии и добавляют к вектору напряжения источника сдвинутую по фазе на 90° компоненту.

Следовательно, общее напряжение на входе линии становится равным сумме вектора напряжения источника питания и вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПТ, то есть изменяет свою фазу.

В зависимости от положения переключателя блока отпаек можно изменять амплитуду и полярность вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПТ, и таким образом регулировать величину угла сдвига между векторами напряжения на входе и выходе линии в функции от режима работы линии.

Капитальные затраты на ФПТ могут быть довольно высокими: ?4–6 млн ($6–9 млн) за единицу мощностью более 2000 МВА. Тем не менее эти затраты достаточно быстро окупаются за счет оптимизации режимов работы электрической сети.

Мировой опыт применения фазоповоротных трансформаторов

Великобритания

Фазоповоротные трансформаторы (Quadrature Boosters, QBs) применяются в британской электрической сети с 1969 г., когда был введен в эксплуатацию первый образец напряжением 275 кВ [2].

В настоящее время в Великобритании работают 15 QBs:

• четыре — на 400 кВ с пропускной мощностью 2750 МВА;
• пять — на 400 кВ с пропускной мощностью 2000 МВА;
• шесть — на 275 кВ с пропускной мощностью 750 МВА.

В британской электрической сети предусмотрена возможность управления потоками мощности после отключения одной или большего количества линий электропередачи (ЛЭП). Это позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей при коротких замыканиях в линиях.

По мнению специалистов Великобритании, самый эффективный способ управления потоками мощности — применение фазоповоротных трансформаторов. Достоинство этого способа — дополнительные гарантии надежности для электроснабжения потребителей электроэнергии без строительства новых линий. При этом минимизируется воздействие на окружающую среду передающей сети.

В британской электрической сети передающая система составлена из широко связанного ряда относительно коротких линий (10–100 км). Основное направление потока мощности — с севера, где есть избыток электроэнергии, на юг, где сосредоточены основные мощные ее потребители. Для надежности электроснабжения ряд областей юга питается по нескольким ЛЭП, подключающим одну область к другой. В соответствии со стандартами Великобритании электроснабжение потребителей должно надежно обеспечиваться после коротких замыканий и при этом оставаться в пределах указанных качественных критериев.

По экологическим и экономическим причинам строительство новых воздушных сетей планируется только тогда, когда рассмотрены все другие варианты. Воздушные линии успешно вводились в последние годы, но есть физический предел увеличению их количества. В этом контексте фазоповоротные трансформаторы — привлекательный вариант, и они весьма интенсивно используются в британских сетях, чтобы увеличить возможности транспорта мощности.

Несколько упрощенный пример (таблица 1) показывает, как использование ФПТ может увеличить пропускную способность сети, в этом случае состоящую из четырех параллельных цепей.

Таблица 1. Влияние использования ФПТ на пропускную способность цепи

Цепь	Максимальная нагрузка каждой цепи индивидуально, МВА	После аварии в цепи 1 (гарантированная способность) без ФПТ, МВА	После аварии в цепи 1 (гарантированная способность) с ФПТ в цепи 2, МВА
1	5600	0	0
2	4400	4400	4400
3	4800	4400	4800
4	4800	4400	4800
Итого	19 600	13 200	14 000

В данном случае ФПТ используется, чтобы ограничить поток мощности в цепи 2, при этом цепи 3 и 4 могут нести свою предельную нагрузку. Таким образом, полная послеаварийная способность передачи увеличена с 13 200 до 14 000 МВА.

Практически в реальных схемах полные сопротивления цепей не всегда равны. Поэтому ФПТ вводятся в несколько цепей, чтобы учитывать возможные аварийные сценарии с позиции надежного обеспечения потребителей электроэнергией.

Исследования схем и режимов работы ФПТ Великобритании выполнены в лаборатории Единой энергосистемы Великобритании (the National Grid laboratory in Leatherhead UK). Данные ФПТ (рис. 2) были спроектированы и изготовлены на заводе Alstom в Стаффорде (the Stafford factory of Alstom) и Эдинбургском заводе VA Tech (the Edinburgh factory of VA Tech Peebles). В настоящее время эти заводы принадлежат компаниям Areva и Siemens.

Рис. 2. Общий вид ФПТ в британской электросети

В Великобритании работают три основные сетевые компании: National Grid (NGET), Scott и Gidro. Компания NGET является ведущей, она готовит семилетний план развития электроэнергетики [2]. В соответствии с ним состав линий и их конфигурация к 2014 г. практически не изменятся, но существенно увеличиваются средства управления потоками активной и реактивной мощности. Еще шесть ФПТ будут размещены в 275-кВ сетях других сетевых компаний.

Франция

Франция [4] имеет большой опыт разработки и внедрения ФПТ в собственные электрические сети, а также электрические сети других государств (табл. 2).

Таблица 2. ФПТ, установленные во французской энергосистеме

Подстанция	Напряжение сети, кВ	Максимальный сдвиг фазы, град.	Мощность, МВА	Год ввода в действие
Pragneres	225	±2×21,4	312	1998
Rance	225	±10	413	2001
La Praz	400	±10	1181	2002
Sainte-Cecile	63	±23	61	2005
Guarbecque	225	±11	438	2006
Niort	225	±11	438	2006

ФПТ выполняются как в виде отдельного устройства, так и в комплекте с автотрансформатором, и обычно имеют переключатель ответвлений под нагрузкой, который позволяет изменять величину тока линии в определенных пределах во время работы.

В принципе, по терминологии авторов [3], стратегия управления потоками мощности в сети состоит в следующем:

• «Лечебный режим»: ФПТ в нормальном режиме работает с малым сдвигом по фазе. В случае если одна из линий внезапно отключается, сдвиг по фазе автоматически изменяется, чтобы уменьшить поток мощности на перегруженных ЛЭП и не допустить их отключения.
• «Профилактический режим»: ФПТ в нормальном режиме работает с постоянным сдвигом фазы и перераспределяет потоки мощности, чтобы повысить КПД существующей электрической сети.

Стратегии управления могут быть более сложными, чем только «лечебный» или только «профилактический» режимы, иногда их объединяют.

ФПТ Pragneres в нормальных условиях эксплуатации работает со сдвигом фазы, близким к нулю. Если линия перегружается, регулятор автоматически переключает ответвления ФПТ, чтобы уменьшить линейный ток до расчетной величины. Важным параметром является скорость переключения ответвлений, поскольку быстрое регулирование сдвига фазы необходимо, чтобы избежать отключения ЛЭП.

ФПТ Rance обычно работает на ответвлении, соответствующем сдвигу фазы приблизительно на –7°. Этот постоянный сдвиг уменьшает полное сопротивление одной линии и позволяет оптимально распределять потоки мощности в сети. Фаза ФПТ изменяется, когда соседняя линия отключается для сервиса.

Стратегия управления, используемая в Sainte-Cecile, является и «профилактической», и «лечебной». ФПТ имеет постоянный сдвиг фазы приблизительно +15°, который в нормальном режиме работы оптимально распределяет потоки мощности между линиями, питающими ту же самую зону. Кроме того, сдвиг фазы может изменяться автоматикой, чтобы избежать перегрузки ЛЭП при нештатных режимах.

Во Франции также разработаны ФПТ для других стран, например для объединения электрических сетей Северной Ирландии и Ирландской Республики. Технические характеристики:

• номинальная мощность 125 МВА;
• установленная мощность 2×95 МВА;
• номинальное напряжение 110 кВ.

ФПТ, разработанные для США, имеют следующие технические характеристики:

• номинальная мощность 675 МВА;
• номинальное напряжение 345/138 кВ.

Длительный опыт эксплуатации ФПТ во Франции доказывает эффективность их применения для решения проблемы потокораспределения в электрических сетях переменного тока. Их использование выгодно, так как они симметрируют ток между несколькими ЛЭП, позволяют не прибегать к размыканию линий и тем самым обеспечивают более оптимизированное использование существующей энергосистемы.

Бельгия и Нидерланды

В Бельгии и Нидерландах [5, 6] ФПТ в основном используются на подстанциях, где две национальные сети связаны друг с другом (табл. 3).

Таблица 3. Использование ФПТ на подстанциях связанных национальных сетей

Подстанция	Связь	Напряжение, кВ	Мощность, МВА	Год ввода
Meeden (Diele)	Голландия–Германия	380	2×1000	2002–2003
Ophoven (Kinrooi)	Бельгия–Голландия	380	2×1400	2009
Monceau	Бельгия–Франция	220/150	400	2007
Zandvliet	Бельгия–Голландия	380	1400	2008

Кроме того, два ФПТ установлены в Южной Голландии (табл. 4).

Таблица 4. Подстанции ФПТ в Южной Голландии

Подстанция	Связь	Напряжение, кВ	Мощность, МВА
Delft	Голландия	150	312
Leiden	Голландия	150	290

Подход к задаче применения ФПТ в этих странах иллюстрирует следующий пример.

Исследования потоков мощности в пограничном районе Бельгии и Франции показали, что линия 220 кВ между подстанцией RTE Chooz и подстанцией Elia Monceau может быть значительно перегружена в случае отказов на других межнациональных линиях электропередачи. Важность этой линии для индустриального района Charleroi обусловила необходимость принять специальные меры, чтобы защитить ее от перегрузки при всех возможных режимах работы ЛЭП в данной области.

По результатам моделирования различных вариантов было принято решение установить ФПТ на подстанции 150 кВ Monceau. Его основные характеристики: напряжение 220/150 кВ, мощность 400 МВА, диапазон регулирования фазы –15+3°.

В комплект ФПТ входят системы защиты и управления, которые должны адекватно реагировать не только на команды системного оператора, но и на различные случайные события в системе (удары молнии, повреждения линий, выключателей).

Сам ФПТ также влияет на величины потоков мощности в системе, схемы защиты и автоматики подстанций. Характерная особенность ФПТ состоит в том, что одна из его обмоток включается последовательно в магистральную линию. Поэтому его параметры должны быть скоординированы с параметрами линии, прежде всего по току короткого замыкания и защите от перенапряжений. Перед вводом данного ФПТ в эксплуатацию в 2006 г. все эти вопросы были решены и согласованы с системным оператором.

Общий вид ФПТ подстанции Elia Monceau показан на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид ФПТ подстанции Elia Monceau

Авторы проекта разрабатывают новые, более мощные модификации ФПТ с параметрами: напряжение 400/400 кВ, мощность 1400 МВА. Их предполагается установить на границе между Бельгией и Нидерландами.

ФПТ для подстанций Бельгии и Нидерландов изготовлены Alstom Grid [7]. Кроме того, эта компания начиная с 1997 г. поставила девять ФПТ мощностью до 2750 МВА в Великобританию (National Grid). В настоящее время Alstom Grid имеет контракт с National Grid на проектирование, поставку и ввод в эксплуатацию двух ФПТ 400 кВ, 2750 МВА, который оценивается в £18 млн. Первый ФПТ будет разработан и изготовлен в 2012 г., второй — в 2013 г., для установки на подстанции Penwortham, Ланкашир.

ФПТ состоит из двух трансформаторов, вес каждого около 270 тонн. После установки на подстанции, наполнения маслом и соединения общий вес составит около 1040 тонн. Поставку и ввод в эксплуатацию ФПТ планируется начать в течение 2013–2014 гг.

США и Канада

Фазоповоротные трансформаторы в США и Канаде [8] используются для реализации следующих функций:

• совершенствования характеристик подстанций;
• увеличения резерва мощности подстанций;
• уменьшения взаимовлияния линий в электрической сети;
• управления потоками мощности в линиях;
• удаления льда на линиях электропередачи.

Первые две функции предназначены для перераспределения активной мощности в пределах подстанции или между подстанциями при коротких замыканиях на линиях. В этих случаях токи короткого замыкания ограничиваются реакторами, включенными последовательно с ФПТ, а ФПТ компенсирует паразитное смещение сдвига фаз, введенное реакторами.

В третьем случае система управления ФПТ настраивается таким образом, чтобы почти полностью разъединять связанные электрические сети во время коротких замыканий.

Последние две функции используют обычный принцип управления потоками мощности, но с некоторыми нетрадиционными отличиями, которые состоят в следующем: для ограничения тока ФПТ последовательно включается реактор (ФПТ-Р) или параллельно — конденсатор. В некоторых вариантах последовательно в линию включается блок, состоящий из двух параллельных цепей: одна — ФПТ-Р, вторая — ФПТ, последовательно соединенный с конденсатором (ФПТ-С). Такая схема обеспечивает постоянство реактивной мощности и максимизирует передачу активной мощности в линии.

При удалении льда на линиях конденсатор используется также для того, чтобы увеличить ток там, где нужно расплавить лед.

Рассмотрим подробнее (на примерах) некоторые функции, которые выполняют ФПТ на подстанциях США и Канады.

Совершенствование характеристик подстанций

Данная функция используется при необходимости увеличить мощность действующей подстанции (рис. 4).

Рис. 4. Схема реализации функции «совершенствование характеристик подстанций»

Обычный способ увеличения мощности действующей подстанции — установка дополнительного трансформатора.

В качестве примера взята подстанция 315/120 кВ с четырьмя трансформаторами мощностью 240 МВА, работающими на общую шину 120 кВ. Требуется установить дополнительный трансформатор с такими же параметрами.

• дополнительный трансформатор подключается на отдельную шину 120 кВ;
• существующие трансформаторы разделяются попарно на две группы, каждая группа работает на свою шину.

Каждая группа может подключаться к шине дополнительного трансформатора выключателями, один из которых постоянно замкнут. Постоянное включение двух выключателей исключается, так как в этом случае все пять трансформаторов будут работать на общую шину, что может привести к недопустимой величине токов короткого замыкания.

Недостатки этого варианта:

• разделение общей 120-кВ шины на две, что снижает надежность электроснабжения потребителей;
• неравномерная загрузка шин.

• общая 120-кВ шина разделяется на две секции, между которыми устанавливается секционный выключатель;
• на одну секцию работают три трансформатора, на вторую — два;
• секции соединены перемычкой, состоящей из ФПТ, реактора (группа ФПТ-Р) и двух выключателей между перемычкой и секциями.

В нормальном режиме выключатели перемычки замкнуты, секционный выключатель разомкнут.

Исследования показали, что ФПТ с параметрами 120 кВ, 264 МВА, диапазоном сдвига фазы ±12° вместе с тремя реакторами 28 МВАр, 5,7 Ом позволяют этим пяти трансформаторам работать параллельно на общую шину, при этом перемычка обеспечивает допустимую величину токов короткого замыкания. При аварийном или сервисном отключении одного трансформатора секционный выключатель замыкается, а выключатели перемычки размыкаются.

Достоинства этого варианта:

• возможность параллельной работы всех пяти трансформаторов на общую шину 120 кВ, что повышает надежность электроснабжения потребителей;
• возможность ограничения токов короткого замыкания до допустимого уровня без замены существующей на подстанции коммутационной и другой высоковольтной аппаратуры.

Увеличение резерва мощности подстанций

Данная функция используется для повышения надежности электроснабжения потребителей при авариях на подстанциях (рис. 5).

Рис. 5. Схема реализации функции «увеличение резерва мощности подстанций»

Шины на входе и выходе двух подстанций соединяются перемычками, причем соединение выходных шин выполняется по аналогии с функцией «совершенствование характеристик подстанций» — перемычка содержит ФПТ и реактор (ФПТ-Р).

Данная функция представляет интерес для городов, где много подстанций расположены близко друг к другу и питают радиальные подсхемы с большими токами короткого замыкания. В некоторых случаях при соединении подсхем без ФПТ-Р может быть превышен допустимый максимум токов короткого замыкания, но и в тех случаях, когда реактор не требуется, велика вероятность того, что разность углов сдвига фаз между подстанциями создаст циркулирующий поток активной мощности, которая может перегрузить трансформаторы одной подстанции. ФПТ-Р предоставляет возможность решать обе проблемы и таким образом позволяет подстанциям помогать друг другу после потери трансформатора или даже потери высоковольтной питающей линии.

Соединение двух или большего числа подстанций повышает надежность энергоснабжения потребителей и способствует лучшему использованию резервного оборудования, которое, в свою очередь, дополнительно улучшает надежность и гибкость электрической сети. Эти преимущества могут использоваться, чтобы обеспечить потребителей электроэнергией при быстром росте нагрузок, давая достаточное количество времени для планирования и строительства новых инфраструктур.

Функция «увеличение резерва мощности подстанций» кажется особенно привлекательной в центрах городов, где строительные участки дорого стоят и проекты требуют длительного и осторожного планирования.

ФПТ в транспортной системе между Аризоной и Калифорнией

Цель применения ФПТ в данном случае — повысить пропускную способность линии 500 кВ. Для решения этой задачи на передающей подстанции Perkins установлены два параллельных ФПТ 500 кВ, 650 МВА каждый, диапазон регулирования фазы — (±25°). Без ФПТ производительность линии ограничена на уровне 800 МВт, при подключении ФПТ составляет 1300 МВт.

ФПТ в распределительной сети между Вермонтом и районом Нью-Йорка Plattsburgh

ФПТ (115 кВ, 175 МВА, ±40°) применяется в системе трех линий 115 кВ, питающих район Нью-Йорка Plattsburgh от подстанции магистральной линии постоянного тока ±500 кВ в штате Вермонт. Назначение ФПТ — защита от перегрузки действующих линий при аварии в одной из них. Кроме того, для увеличения пропускной способности неповрежденных линий с 105 до 140 МВт было решено параллельно ФПТ подключить реактор (75 Ом, 800 А, 48 МВАр) и две батареи шунтирующих конденсаторов (25 МВАр).

Реализация проекта началась 11 августа 1997 г., коммерческая работа — 29 июня 1998. Исследования схем и режимов работы ФПТ, опытных образцов и комплексов на их основе проводятся в компании Hydro-Quebec (Канада). Для этой цели используется моделирующее устройство энергосистемы Hydro-Quebec.

Казахстан

В 2009 г. в Казахстане [9, 10] введена в эксплуатацию межрегиональная линия электропередачи 500 кВ «Северный Казахстан–Актюбинская область» протяженностью 487 км с двумя подстанциями — ПС 500 кВ Житикара и ПС 500 кВ Ульке.

На ПС 500 кВ Ульке впервые в СНГ используется ФПТ с параметрами: 400 МВА, 500/220 кВ, диапазон сдвига фазы 0–20° (рис. 6). Он спроектирован и изготовлен компанией «Запорожтрансформатор». На обеих подстанциях установлены системы мониторинга и управления компании Siemens, а также системы релейной защиты и автоматики того же производителя.

Рис. 6. ФПТ на подстанции Ульке

Новая линия соединила актюбинский энергоузел с ЕЭС Казахстана. Ввод объекта в строй решает проблему энергодефицита Актюбинской области за счет поставок электроэнергии от Аксуской и Экибастузских ГРЭС, позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей и обеспечить потребности региона в электроэнергии до 2015 года. ФПТ позволит минимизировать энергопотоки по линиям 220 кВ юга России и загрузить 500-кВ линию Житикара–Ульке электроэнергией казахстанских источников.

Россия

В России ФПТ не применяются, хотя актуальность применения этой техники давно назрела — прежде всего с позиции снижения потерь электроэнергии в электрических сетях. Считается, что потери электроэнергии в сетях России составляют 13,2% [11]. Отметим, что данная цифра относится к 2005 г. Более поздняя достоверная информация, основанная на статистике, отсутствует, так как в России нет федеральной службы, уполномоченной осуществлять мониторинг потерь в сетях всех электросетевых компаний страны. Эту задачу надо решать.

Первый проект применения ФПТ в России был разработан отечественными специалистами в 1996 г. [12, 13].

Проект предусматривал установку на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС шести ФПТ оригинальной конструкции (кросс-трансформатор, КТ) типа КТ248 с параметрами:

• номинальное напряжение 230 кВ;
• номинальная частота 50 Гц;
• номинальная проходная мощность 400 МВА;
• диапазон сдвига фазы ±8°.

В проекте рассмотрены характеристики Костромской и Саратовской энергосистем как объектов компенсации негативного влияния неоднородности многослойной электрической сети на пропускную способность, потери и надежность электроснабжения. Получены количественные характеристики неоднородности сети по данным проектных институтов и энергосистем. Установлены условия загрузки параллельных линий транзитными потоками мощности с оптимальным потокораспределением, величины перегрузки сетей 220 и 110 кВ при естественном потокораспределении относительно режима при оптимальном потокораспределении. Разработан и применен к Костромской и Саратовской энергосистемам метод оптимизации режима сети в направлении экономичного потокораспределения. Показана возможность 30%-го снижения потерь в сетях 220 и 110 кВ АО «Костромаэнерго» и 50%-го снижения потерь в Саратовской энергосистеме за счет вытеснения межсистемных перетоков из этих сетей в сеть 500 кВ. Приведена схема и конструктивные параметры кросс-трансформатора, являющегося универсальным, относительно дешевым и достаточно эффективным силовым оборудованием для реализации оптимизированного потокораспределения. В качестве обоснования применения показано, что с помощью установки кросс-трансформаторов на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС можно реализовать до 70% возможной экономии потерь в сетях АО «Костромаэнерго».

На Костромской ГРЭС автотрансформаторы (АТ) в трехфазной группе имеют мощность 800 МВА. Поэтому при вводе в промышленную эксплуатацию на стороне 220 кВ АТ планировалось включить два КТ248 параллельно. Дополнительный эффект координации потоков на отдельных, наиболее выигрышных направлениях достигается установкой дополнительных КТ на входах некоторых линий. Для Костромской ГРЭС это линии в сторону Москвы. Таким образом, по результатам расчетов, представленных на заседании НТС РАО «ЕЭС России» в феврале 1996 г., на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС целесообразно установить минимум шесть КТ248: по два параллельно, соединенных с каждым из двух автотрансформаторов, и по одному на линиях 220 кВ в сторону Москвы.

Проведенные исследования показали, что кросс-трансформаторы типа КТ248 могут быть эффективно использованы в сетях с номинальным напряжением 220 кВ в энергосистемах России и стран СНГ. Их установку предлагалось производить на кросс-трансформаторных подстанциях, создаваемых при крупных станциях, а в дальнейшем — вблизи центров нагрузки и на отдельных промежуточных участках сети 220 кВ. В зоне действия они обеспечивают вытеснение транзитных потоков активной мощности из сетей 110 и 220 кВ в магистральные линии 500 кВ.

Зона действия охватывает окрестные участки кросс-подстанций вплоть до ближайших 500-кВ подстанций и несколько дальше и представляет собой окружность, диаметр которой на 20 % превышает расстояние между смежными подстанциями 500/220 кВ. Кросс-подстанция каждой электростанции имеет столько зон действия, сколько 500-кВ линий отходит от этой станции. Применительно к Костромской ГРЭС это зоны в сторону Москвы, Владимира, Нижнего Новгорода, Перми и Вологды. Определенные по указанным признакам зоны действия могут частично перекрываться.

В зонах действия кросс-трансформаторные подстанции обеспечивают следующие преимущества:

• четырех-пятикратную разгрузку линий 110 кВ и двух-трехкратную разгрузку линий 220 кВ от транзитных потоков, связанных с передачей энергии по линии 500 кВ в режимах максимальных нагрузок;
• улучшение использования магистральных линий 500 кВ благодаря увеличению их загрузки до оптимального уровня по условию минимума потерь в сети в режиме максимальной нагрузки;
• устранение «пробок» в распределительной сети, создаваемых перегрузкой отдельных участков линий 110 и 220 кВ, параллельных магистральным линиям 500 кВ и, в некоторых случаях, параллельных относительно близким линиям 330 и 750 кВ;
• улучшение условий диспетчеризации благодаря вынесению большей части транзитных потоков из сетей 220 и 110 кВ и, тем самым, освобождения их для близких межсистемных и внутрисистемных потоков;
• общее повышение надежности транспортной сети вследствие адекватного использования всех ее основных линий — магистральных и наиболее важных линий распределительных сетей;
• снижение потерь в сетях 750–110 кВ приблизительно в 1,5 раза.

Проект был рассмотрен на заседании НТС РАО «ЕЭС России» 18 февраля 1996 г., одобрен, но так и не реализован.

Второй проект применения ФПТ в России был разработан российскими специалистами в 2009 г. [14]. В нем предлагалось реформировать электрическую сеть России в целях оптимизации маршрутов транспорта и распределения электроэнергии на основе применения фазоповоротных трансформаторов.

Сущность проекта состоит в перераспределении потоков энергии между транспортной и распределительной сетями. Все дальние потоки активной мощности, протекающие в распределительной сети параллельно потокам в линиях транспортной сети, переводятся в линии транспортной сети. Происходит практически полное освобождение распределительной сети от неадекватных транспортных потоков.

Постановка такой задачи, насколько известно автору, делается впервые в мировой практике. Она стала возможной в результате двадцатилетней разработки и применения к транспорту электроэнергии автором [14] теории электрического поля и соответствующего сетевого векторного анализа, возникшего в ходе применения к электроэнергетике методологии исследования поля электрических зарядов [15].

В проект входит разделение сети на выделенные территории, в пределах каждой из которых обеспечивается интеллектуальное управление энергопотоками и, при необходимости, снижение уровней токов коротких замыканий.

Достоинства сети, модернизированной на основе проекта:

• Две части единой сети (транспортная и распределительная) начинают работать строго по своему назначению.
• Весомость транспортной сети возрастает на величину порядка 30%.
• Противоаварийная устойчивость к блэкаутам существенно возрастает.
• Суммарная располагаемая мощность генераторов энергосистемы может быть снижена на 3% за счет снижения потерь в распределительной сети в 2,5 раза.
• Распределительная сеть пополняется за счет перевода части тупиковых линий в контурную конфигурацию, что существенно повышает техническую эффективность ранее разомкнутых линий.

Основной экономический эффект — снижение потерь в электрических сетях России примерно в 1,4–1,5 раза.

Дополнительный экономический эффект — снижение себестоимости транспорта электроэнергии как по территории страны, так и за ее пределы — в Европу, страны СНГ и Китай, что позволит во много раз повысить уровень экспортных доходов за счет переработки на своей территории углеводородов в электроэнергию и ее доставки к зарубежным центрам потребления.

Проект также остается невостребованным.

Заключение

Мировой опыт разработки и эксплуатации фазоповоротных трансформаторов — в первую очередь Великобритании, Франции, Бельгии, Нидерландов — убедительно свидетельствует об эффективности применения ФПТ для оптимального управления энергопотоками в электрических сетях.

Игнорирование мирового опыта применения фазоповоротных трансформаторов и инновационных проектов российских специалистов, предлагающих модернизацию электрических сетей России на основе установки ФПТ, можно оценить как стратегический просчет руководства электросетевого комплекса России, который оказал и продолжает оказывать крайне деструктивное влияние на решение проблемы повышения технико-экономических показателей единой национальной электрической сети России.

Оптимальное управление энергопотоками на основе применения ФПТ — наиболее продуктивный способ уменьшения потерь электроэнергии в электрических сетях России до технически обоснованного уровня.

Представляется, что в целях исполнения поручения Президента Российской Федерации, вытекающего из его указа «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» № 889 от 4 июня 2008 г. [16], — снизить потери электроэнергии в электрических сетях России к 2020 г. на 40% по сравнению с 2007 г. — руководству электросетевого комплекса России необходимо решить следующие задачи:

• Создать Федеральный центр мониторинга потерь электроэнергии.
• Разработать Генеральную схему размещения объектов управления энергопотоками в электрических сетях России с приоритетом применения фазоповоротных трансформаторов и бизнес-план ее реализации; разместить эти документы в Интернете; обсудить на авторитетном совещании с представителями электросетевых компаний и компетентных специалистов электроэнергетической отрасли России и утвердить в Правительстве РФ.
• Приступить к выполнению указанного бизнес-плана в 2012 г. с ориентацией на его безусловное завершение в 2020 г.

Источник