УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭЛЕКТРОСЕТИ И ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2006 года по МПК H02P7/20 H02J3/12 

Изобретение относится к устройству автоматического воздействия на электрические сети энергоснабжения или соответственно распределения, в дальнейшем называемые воздействие на электросети, при помощи трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения, оснащенного различными ответвлениями обмоток. Далее изобретение относится к электроприводу для автоматического воздействия на электросети при помощи такого трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения.

Для автоматического воздействия на электросети применяются обычно регулируемые силовые трансформаторы, которые выполнены как трансформаторы со ступенчатым регулированием напряжения и имеют регулировочную обмотку с различными ответвлениями, подключаемыми без разрыва переключателем ступеней обмоток с соединенным механически с ним электроприводом. Путем выборочного включения различных ответвлений регулировочной обмотки осуществляется изменение коэффициента трансформации трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения и, соответственно, регулирование напряжения.

Известное устройство воздействия на электросети путем регулирования напряжения состоит обычно из нескольких компонентов. Во-первых, это измерительный трансформатор, предпочтительно индуктивный измерительный трансформатор, на трансформаторе со ступенчатым регулированием напряжения, с помощью которого регистрируется в качестве фактического значения подлежащее регулированию напряжение. Затем предусмотрен также регулятор напряжения, установленный вдали от трансформатора со ступенчатым регулированием, на щите управления или в другом аналогичном месте. Этот регулятор напряжения получает по электрическим сигнальным линиям от измерительного трансформатора его электрический выходной сигнал в качестве информации о фактическом значении измеренного напряжения. В регуляторе напряжения это фактическое значение напряжения затем сравнивается с предварительно установленным заданным значением напряжения, которое должно поддерживаться по возможности постоянным трансформатором со ступенчатым регулированием напряжения, и с учетом других заранее установленных регулировочных параметров, как, например, время задержки, в случае необходимости генерируется команда на переключение "Выше" или "Ниже". Эта команда на переключение передается в свою очередь по электрическим соединительным линиям на электропривод трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения. В зависимости от направления "Выше" или "Ниже" переданной команды на переключение электропривод вызывает вращение своего приводного вала, через тяги привода это вращательное движение передается на переключатель ступеней обмоток трансформатора, который затем в зависимости от направления вращения осуществляет переключение с включенного в данный момент ответвления обмотки на следующее более высокое или следующее более низкое ответвление. Сам переключатель ступеней обмоток трансформатора обычно погружен в бак трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения или закреплен на его наружной стороне, так же как и соответствующий электропривод. По другим электрическим соединительным линиям назад с привода на регулятор напряжения передается определенная информация, такая как, например, положение переключателя ступеней обмоток трансформатора в данный момент. Такое устройство для регулирования напряжения известно из документа DE-OS 24 10 641. Недостатком этого устройства является то, что электропривод имеет несколько электрических выходов, которые должны соединяться все при помощи отдельных электрических линий с соответствующим регулятором напряжения. Эти соединительные линии необходимы в связи с тем, что многочисленная информация, например о текущем положении переключателя ступеней обмоток трансформатора, о вращении и направлении вращения приводного вала и т.д., производится в электроприводе при помощи электрических и электромеханических средств, а обрабатывается только в зачастую находящемся на значительном удалении регуляторе напряжения. Необходимы другие линии, как уже говорилось, для передачи поступающих с регулятора напряжения регулированных команд на электропривод. Наконец, измерительный трансформатор и регулятор напряжения также должны быть соединены друг с другом при помощи электрических линий.

Из документа GB-PS 21 09 960 известен так называемый автотрансформатор, в котором регулятор напряжения расположен непосредственно на трансформаторе, но и здесь сохраняется недостаток, заключающийся в наличии множества электрических соединительных линий между регулятором напряжения и электроприводом.

Из документа DE 42 14 431 A1 известно, наконец, соответствующее устройство, в котором регулятор напряжения и электропривод соединены между собой вместо множества отдельных линий только при помощи единственной последовательной двунаправленной линии передачи данных. Однако также такая линия передачи данных, выполненная предпочтительно как световод, между двумя пространственно удаленными друг от друга узлами имеет тот существенный недостаток, что также здесь необходимы другие связи между измерительным трансформатором и регулятором напряжения, даже если они в указанной публикации особо не упоминаются.

Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство автоматического воздействия на электросети, которое исключает недостатки уровня техники, а именно электрический или другой монтаж между отдельно расположенными узлами. Далее, задачей изобретения является предложить соответствующий такому устройству электропривод.

Задачи согласно изобретению решаются посредством устройства с признаками пункта 1 и электропривода с признаками пункта 3 формулы изобретения.

Особенно преимущественным в устройстве согласно изобретению является его компактная конструкция. Устройство согласно изобретению состоит из устройства для создания фактического значения напряжения, предпочтительно преобразователя напряжения и особо предпочтительно нетрадиционного преобразователя напряжения, установленного непосредственно на трансформаторе, из электронного электропривода, содержащего дополнительно также электрические и электронные средства регулирования напряжения для воздействия на электросети, расположенного также непосредственно на трансформаторе и соединенного в свою очередь механически непосредственно при помощи обычного приводного вала с переключателем ступеней обмоток трансформатора на или в трансформаторе. Таким образом, все узлы размещены непосредственно на трансформаторе; тем самым отпадает необходимость соединений приводами с пространственно удаленным щитом управления, на котором установлен отдельный регулятор напряжения в виде особого устройства или 19-дюймого вставного блока согласно уровню техники. Необходимо лишь одно единственное электрическое соединение между устройством на трансформаторе, например необщепринятым преобразователем напряжения, подающим измерительный сигнал в качестве фактического значения напряжения, и электронным электроприводом. Полностью отпадает необходимость в работающих в двух направлениях электрических линиях между электроприводом и пространственно удаленным регулятором напряжения согласно уровню техники; в связи с тем, что, как говорилось выше, электронный электропривод согласно изобретению выполняет одновременно также функцию прежнего регулятора напряжения, тем самым последний становится излишним как отдельный узел.

Ниже изобретения поясняются более детально на примерах со ссылками на чертежи, на которых показаны:

фиг. 1 - устройство согласно уровню техники,

фиг. 2 - устройство согласно изобретению регулирования напряжения для воздействия на электросети,

фиг. 3 - первый вариант исполнения электропривода согласно изобретению,

фиг. 4 - схема автоматического регулирования напряжения в устройстве с изображенным на фиг. 3 электроприводом,

фиг. 5 - второй вариант исполнения электропривода согласно изобретению с другими средствами воздействия на электросети,

фиг. 6 - третий вариант исполнения электропривода согласно изобретению с дополнительными средствами воздействия на электросети и

фиг. 7 - схема автоматического регулирования напряжения в устройстве с изображенным на фиг. 6 электроприводом.

Вначале с помощью фиг. 1 необходимо еще раз кратко объяснить существующий уровень техники. Представлен трансформатор 1, на котором установлен обычный преобразователь 2 напряжения, который фактическое напряжение, например 30 кВ, преобразует в измерительный сигнал, здесь 100 В. Этот преобразователь 2 напряжения электрически соединен посредством измерительной линии 3 с регулятором 4 напряжения, находящимся на щите управления. От этого регулятора 4 напряжения управляющие линии 5 ведут к электроприводу 6. Электропривод 6 в свою очередь соединен через приводной вал 7 известным способом с переключателем 8 ступеней обмоток трансформатора. Представленный здесь переключатель 8 ступеней обмоток трансформатора имеет искатель 9 для выбора без потребления мощности ответвлений регулировочной обмотки и включает также переключатель 10 под нагрузкой для собственно переключения без разрыва цепи нагрузки; в равной мере возможны и другие формы конструкций переключателей степеней обмоток трансформатора. По управляющим линиям 5 передаются, с одной стороны, на электропривод 6 формируемые в регуляторе 4 напряжения в результате сравнения действительного напряжения и заданного напряжения исполнительные команды и, с другой стороны, регулятор 4 напряжения получает в свою очередь от электропривода 6 информацию, например, о текущем положении переключателя степеней обмоток трансформатора и последовательности операций при каждом отдельном переключении.

На фиг. 2 показано устройство согласно изобретению. Здесь на трансформаторе 1 установлен необщепринятый преобразователь 11 напряжения, который фактическое напряжение, здесь вновь например 30 кВ, преобразует в измерительный сигнал, в данном случае 1,87 В. Измерительная линия 12, которая в соответствии с существенно меньшим измерительным сигналом может иметь также меньший размер, ведет к электронному электроприводу 13. Электронный электропривод 13 оснащен дополнительно средствами сравнения действительного значения и заданного значения напряжений и осуществления функций регулятора и генерирования управляющих сигналов. С электропривода 13 приводной вал 7 ведет опять непосредственно к переключателю 8 степеней обмоток трансформатора и приводит его в действие. Таким образом можно видеть, что электронный электропривод 13 объединяет в себе функции представленных отдельно на фиг. 1 узлов регулятора 4 напряжения и электропривода 6.

В особенно предпочтительном конструктивном исполнении изобретения упоминается нетрадиционный преобразователь напряжения 11, формирующий действительное значение напряжения. Такие нетрадиционные преобразователи получили все большее распространение в последние годы и известны специалистам в разнообразных формах исполнения. Раннее обобщающее представление о необщепринятых преобразователях или соответственно измерительных преобразователях содержится уже в диссертации "Ein Beitrag zur Beurteilung der Möglichkeiten des Einsatzes nichtkonventioneller Messwandler und der Grenzen für eine Verdrangung klassischer Messtransformatoren" (К оценке возможностей применения необычных измерительных преобразователей и границ вытеснения классических измерительных трансформаторов д-ра Эрмиша), Дрезден, 1984 года. Общие требования в отношении электронных преобразователей напряжения нетрадиционного типа вытекают из lEC 38 (Sec) 122: 1993 или VDE 0414. Такие нетрадиционные преобразователи технически имеются в самых различных конструктивных исполнениях; в виде примера здесь можно указать на оптические преобразователи, то есть волоконно-оптические или также балкоптические преобразователи (bulk-optisch), работающие в свою очередь на поляриметрических (эффект Фарадея) или также интерферометрических принципах. Далее известны пассивные нетрадиционные преобразователи напряжения из фирменных публикаций "Low Power Voltage Transducer for Medium Voltage GIS Systems Type LPVTG" и "...Type LoPoVT" фирмы Trench (Швейцария). Что касается типа LPVTG, то речь идет об омическом делителе напряжения, который заменяет классические, то есть обычные индуктивные или емкостные измерительные преобразователи. Сравнительный обзор омических делителей напряжения и обычных преобразователей напряжения дается в журнале etz. Heft 15-16/1997, стр. 20 и сл.

Нетрадиционный преобразователь 11 напряжения формирует измерительный сигнал в вольт-диапазоне, который передается почти без потребления мощности и поступает на электронный электропривод 13; там этот сигнал может непосредственно обрабатываться. С этой целью электронный электропривод 13 содержит средства для аналого-цифрового преобразования сигнала преобразователя напряжения и, кроме того, имеет, по меньшей мере, счетно-решающее устройство для определения положения приводного вала 7, а также электронное управляющее устройство. Электронное управляющее устройство выполняет функции прежнего отдельного регулятора напряжения; оно осуществляет сравнение заданного и действительного значений и вырабатывает с учетом предварительно заданных регулировочных параметров, таких как задержка переключения, регулировочный порог и т. д., сигнал управления, который непосредственно приводит в действие приводной вал 7 и тем самым переключатель 8 ступеней обмоток трансформатора посредством электродвигателя.

Первый вариант исполнения электронного электропривода согласно изобретению поясняется детально ниже на основании фиг. 3. Электропривод имеет известный сам по себе редуктор 14 для приведения в действие приводного вала 7 переключателя ступеней обмоток трансформатора. Редуктор 14 снижает при этом скорость вращательного движения, сообщенную электродвигателем 16, как правило, представленным синхронным двигателем трехфазного тока. С редуктором 14 соединено сигнальное устройство 15 положения для регистрации положения искателя переключателя степеней обмоток трансформатора. Центральная часть электропривода согласно изобретению - это электронный узел 17 управления, содержащий средства для сравнения поступающего с преобразователя напряжения измерительного сигнала с заданным значением, и при отклонении, превышающем установленный порог, для выдачи команды управления и управления работой электродвигателя в зависимости от направления вращения, чтобы сразу же вслед за этим приводить в действие переключатель ступеней обмоток трансформатора посредством его приводного вала 7. В свою очередь, электронный узел 17 управления через интерфейсный узел 18 соединен с уже описанной ранее детально единственной измерительной линией 12, передающей информацию от нетрадиционного преобразователя напряжения.

Узел 17 управления в сущности состоит из управляющего устройства с сохраняемой программой, микроконтроллера или также промышленного компьютера. Какая из этих возможностей будет выбрана, зависит от множества факторов, таких как необходимая площадь, затраты, скорость работы; такой выбор является обычным делом для специалиста.

Интерфейсный узел 18 содержит аналого-цифровой преобразователь и другие средства вырабатывания измерительного сигнала, соответствующего узлу управления, на основании переданного по измерительной линии 12 измерительного сигнала. Он представляет собой таким образом цифровое устройство сопряжения для соподчиненного узла 17 управления и может быть выполнен либо как шина массива, либо как известное устройство сопряжения RS-485.

На фиг. 4 вновь представлена соответствующая схема автоматического регулирования отдельно с таким электроприводом. От нетрадиционного преобразователя 11 напряжения измерительный сигнал как мера действительного значения на трансформаторе 1 передается через измерительную линию 12 на интерфейсный узел 18 обозначенного пунктирной линией электропривода 13. Интерфейсному узлу 18 придан узел 17 управления, в котором осуществляется сравнение заданного и действительного значений, то есть сравнение переданного нетрадиционным преобразователем 11 напряжения действительного значения с заданным значением, находящимся в ЗУ. Если в результате сравнения имеется отклонение, величина которого превышает заданный порог регулирования, то вырабатывается управляющая команда, которая приводит в действие электродвигатель 16, который в свою очередь приводит в движение приводной вал 7. Таким образом срабатывает переключатель 10 нагрузки переключателя ступеней обмоток трансформатора и изменяется вторичное напряжение трансформатора 1. Новое измерение на нетрадиционном преобразователе 11 напряжения и обратная сигнализация на узел 17 управления замыкают схему автоматического регулирования.

В рамках изобретения возможно также вместо нетрадиционного преобразователя 11 напряжения предусмотреть другой измерительный преобразователь или также снимать информацию о действительном значении напряжения с системы шин.

На фиг. 5 представлен второй вариант исполнения электропривода согласно изобретению. Как дополнительная возможность воздействия на электросети здесь предусмотрен анализ качества соответствующего напряжения, подлежащего регулированию. При этом выходное напряжение нетрадиционного преобразователя 11 напряжения дополнительно по другой измерительной линии 21 подводится к регулятору 20 реактивной мощности. Разумеется, можно также получить измерительный сигнал с существующей измерительной линии 12. Такой регулятор 20 реактивной мощности предлагается в рыночном исполнении как прибор "POCOS-Control", изготовленный заявителем. Его выход ведет через дополнительный интерфейсный узел 19 опять-таки к электронному узлу 17 управления 17. Однако можно также регулятор 20 реактивной мощности выполнить как встроенную составную часть узла 17 управления. Таким образом можно вместе с непосредственным регулированием напряжения дополнительно противодействовать недопустимому превышению напряжения посредством возможной избыточной компенсации регулируемой сети напряжения. Такое известное из литературы, как эффект Ферранти, превышение напряжения на конце линии, работающей, например, в режиме холостого хода, является следствием комплексного соотношения напряжений в начале и на конце этих линий, причем это соотношение представляет здесь реальную величину. Входное и выходное напряжение в этом случае характеризуется одинаковым положением по фазе, так что емкостный ток на индуктивности линии вырабатывает величину напряжения, суммируемую с входным напряжением, в результате чего выходное напряжение становится выше входного напряжения этой линии. На основе различных заданных значений, как, например, коэффициента мощности cos ϕ или допустимого коэффициента гармоник измеренного напряжения, осуществляется присоединение или отсоединение конденсаторов 22/1 или отсасывающих цепей через регулятор 20 реактивной мощности. Регулирование напряжения и, следовательно, воздействия на электросети возможно также благодаря такому ступенчато переключаемому компенсирующему, т.е. конденсаторному устройству. При этом емкостной реактивный ток компенсирующего устройства обусловливает повышение напряжения на преимущественно индуктивном полном сопротивлении питающего контура сети, если имеющаяся емкостная реактивная мощность не используется потребителями в сети исключительно для компенсации индуктивной реактивной мощности. Этот метод регулирования особенно целесообразен тогда, когда необходимо поддерживать преимущественно постоянным продольное падение напряжения, вызванное сильно колеблющимся потреблением индуктивной реактивной мощности. Особое исполнение такой компенсирующей системы описывается в WO 94/24622.

Для воздействия на электросети возможно также параллельное применение как переключателя ступеней обмоток трансформатора, так и компенсирующих систем реактивной мощности. Оба типа устройств могут при этом вводиться в действие одновременно при помощи описанного выше электропривода согласно изобретению для автоматического воздействия на электросети. Применяемые обычно регуляторы реактивной мощности служат при этом для грубого регулирования; они характеризуются постоянными времени регулирования от 10 до 30 минут, так что они не входят в противоречие с алгоритмами регулирования более скоростных переключателей ступеней обмоток трансформатора.

Электронный узел 17 управления может иметь наряду с этим также другие узлы и для осуществления функций мониторинга или, возможно, для управления вентиляторами на трансформаторе 1.

На фиг. 6 и 7 представлен другой, особенно преимущественный, вариант исполнения изобретения. При этом узел 17 управления, в дополнение к уже описанному интерфейсному узлу 18, имеет последующий интерфейсный узел 18/1, соединенный с еще одним быстродействующим измерительным устройством 23. Такое быстродействующее измерительное устройство 23 также изготовлено заявителем под названием "Voltage Dip Meter". Таким образом, узел 17 управления в состоянии обнаруживать и обрабатывать также кратковременные переходные провалы напряжения для своевременного воздействия на выдаваемую трансформатором величину регулируемого напряжения. Такое быстрое регулирование напряжения для немедленного воздействия на электросети может осуществляться, например, известными быстро регулирующими силовыми электронными элементами сети, так называемыми FACTS-элементами. FACTS обеспечивают целенаправленное воздействие потоков в активной и реактивной мощности и быструю активацию потоков активной и реактивной мощности с высоким диапазоном регулирования. Для быстрого выравнивания провалов напряжения подходят также быстродействующие переключатели ступеней обмоток трансформатора согласно изобретению, работающие полностью на тиристорах. Такие переключатели ступеней обмоток трансформатора известны, например, из документов WO 95/27931 или WO 97/105536. Описанные быстро регулирующие конструктивные элементы могут также управляться простым образом при помощи устройства согласно изобретению для воздействия на электросети.

Согласно следующему варианту исполнения изобретения возможно также использование электронного узла 17 управления для управления заземляющей дугогасящей катушкой. Этот принцип гашения или регулирования дуги замыкания на землю посредством заземляющей дугогасящей катушки известен специалисту. Он основан на том, что на месте повреждения емкостная составляющая тока утечки может компенсироваться индуктивным током заземляющей дугогасящей катушки. При идеальной компенсации по нему протекает лишь очень небольшой омический остаточный ток. При регулировании различаются два способа: во-первых, регулирование при незначительном обратном воздействии на сеть при больших напряжениях при несимметрической нагрузке и, во-вторых, регулирование при значительном обратном воздействии на сеть, то есть изменениях в сети, воздействующих на напряжение при несимметрической нагрузке. Само регулирование осуществляется известным способом путем изменения индуктивности заземляющей дугогасящей катушки.

Изобретение относится к устройству автоматического воздействия на электросети. Технический результат заключается в создании устройства, имеющего компактную конструкцию, за счет размещения всех узлов непосредственно на трансформаторе и объединения электропривода с регулятором напряжения. В устройстве предусмотрен преобразователь напряжения в виде измерительного трансформатора, установленного на трансформаторе со ступенчатым регулированием. Измерительный трансформатор регистрирует соответственно действительное значение регулируемого напряжения и через единственную электрическую измерительную линию передает его на электропривод, в котором предусмотрены средства для сравнения этого действительного значения с установленным заданным значением и для вырабатывания в зависимости от результата сравнения исполнительной команды. Изобретение относится также к соответствующим образом оснащенному электроприводу с дополнительным узлом управления, приводящим в действие непосредственно в случае необходимости электродвигатель в зависимости от направления вращения, который в свою очередь приводит в действие переключатель ступеней обмоток трансформатора на ступенчатом трансформаторе регулирования напряжения и таким образом осуществляет регулирование напряжения для воздействия на электросети. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство автоматического воздействия на электросети при помощи трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения, регулировочная обмотка которого снабжена различными ответвлениями, подключаемыми без разрыва переключателем ступеней обмоток трансформатора с механически соединенным с ним электроприводом, причем на трансформаторе со ступенчатым регулированием напряжения расположен измерительный трансформатор для регистрации действительного значения напряжения, подлежащего регулированию, причем предусмотрены средства для сравнения измеренного таким образом действительного значения с предварительно установленным заданным значением и для формирования в зависимости от результата сравнения исполнительной команды на приведение в действие электропривода в зависимости от направления вращения и тем самым переключателя ступеней обмоток трансформатора, отличающееся тем, что электропривод (13) также содержит средства для сравнения измеренного действительного значения с предварительно установленным заданным значением и для формирования в зависимости от результата сравнения исполнительной команды и что измерительный трансформатор соединен непосредственно с электроприводом (13) посредством одной единственной электрической измерительной линии (12).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный трансформатор представляет собой нетрадиционный преобразователь (11) напряжения.3. Электропривод для автоматического воздействия на электросети, в котором предусмотрен в общем корпусе электродвигатель, приводящий в действие посредством включенного между ними механизма приводной вал, который, в свою очередь, приводит в действие переключатель ступеней обмоток трансформатора для переключения без разрыва между различными ответвлениями обмотки трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения, отличающийся тем, что в общем корпусе предусмотрен узел (17) управления, соединенный через интерфейсный модуль узел (18) с измерительной линией (12) находящегося вне корпуса измерительного трансформатора, при этом узел (17) управления имеет средства для сравнения измерительного сигнала, вырабатываемого измерительным трансформатором и поступившего по измерительной линии (12), с заданным значением, хранящемся в ЗУ, и для вырабатывания в зависимости от результата сравнения регулирующего сигнала, причем через узел (17) управления непосредственно приводится в действие в зависимости от направления вращения электродвигатель (16).4. Электропривод по п.3, отличающийся тем, что измерительный трансформатор представляет собой нетрадиционный преобразователь (11) напряжения.5. Электропривод по п.3 или 4, отличающийся тем, что дополнительно в общем корпусе предусмотрен регулятор (20) реактивной мощности, вход которого также соединен с находящимся вне корпуса измерительным трансформатором, а выход регулятора (20) реактивной мощности через другой интерфейсный узел (19) также соединен с узлом (17) управления.6. Электропривод по п.3, или 4, или 5, отличающийся тем, что предусмотрено быстродействующее измерительное устройство (23) для регистрации переходных провалов направления, выход которого через другой интерфейсный узел (18/1) также соединен с узлом (17) управления.7. Электропривод по п.3, или 4, или 5, отличающийся тем, что через узел (17) управления дополнительно приводятся в действие средства быстрого воздействия на электросети, в частности FACTS-элементы или быстродействующий полупроводниковый переключатель ступеней обмоток трансформатора, работающий на полупроводниках.8. Электропривод по п.3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что предусмотрены дополнительные средства для управления заземляющей дугогасящей катушкой.