КОНДЕНСАТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электроэнергетике трехфазного переменного тока и может быть использовано с целью компенсации реактивной мощности и повышения качества электроэнергии в электрической сети.

Конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности известны.

Известна, например, трехфазная симметричная силовая конденсаторная батарея по патенту РФ №2024152 [1]. Сущность изобретения состоит в том, что из нескольких секций одинаковых блоков однофазных конденсаторов, соединенных в треугольник путем последовательного объединения контактов, составлен многополюсный единый контур, из контактных точек которого через несколько трехполюсных выключателей выполнены соединения с трехфазной сетью. Недостатком аналога является его конструктивная сложность, выражающаяся в множественности конструктивных и функциональных связей, снижающих надежность устройства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конденсаторная установка по авторскому свидетельству СССР №1495903 [2], содержащая три трехфазных конденсаторных секции одинаковой мощности, состоящих из трех трехфазных звеньев, включенных звездой или треугольником. Фазные выводы каждого звена секции предназначены для подключения к фазам сети через соответствующий двухполюсный или однополюсный ключ. Установка имеет шесть ступеней мощности при трех одинаковых конденсаторных секциях, каждая из которых состоит из трех треугольных звеньев.

Недостатками прототипа являются: незначительная разница мощностей ступеней регулирования каждой секции при одинаковых однофазных конденсаторах, которая составляет всего 11%; отсутствие унификации в применении элементов регулирования - разнополюсные ключи; ограниченное количество ступеней регулирования; значительный пусковой ток на первой ступени регулирования.

Техническим результатом предложенного решения является увеличение соотношения мощностей ступеней регулирования; упрощение конструкции за счет унификации электрических ключей; модульный принцип увеличения количества конденсаторных секций и, следовательно, ступеней регулирования; уменьшение токов коммутации, особенно на первой ступени, и номинальной мощности коммутационной аппаратуры; обеспечение в устройстве длительной работы силовых конденсаторов при пониженном напряжении на их зажимах на первой ступени регулирования, что важно в условиях содержания оборудования при низких температурах, когда конденсаторная установка на первой ступени может быть подключена к сети постоянно для компенсации реактивной мощности холостого хода силового трансформатора сети и нагрузки.

Для достижения технического результата конденсаторная установка содержит трехфазные конденсаторные секции одинаковой мощности, состоящие из нескольких трехфазных звеньев, каждое из которых содержит три одинаковых силовых однофазных конденсатора, соединенных в треугольник, и электрические замыкающие ключи для подключения секции к трехфазной сети переменного тока,

при этом ключи для подключения секции к трехфазной сети переменного тока являются трехполюсными трехфазными,

при этом на первой ступени регулирования однофазные конденсаторы звеньев в плечах треугольника соединены между собой последовательно в режиме минимальной мощности,

при этом первая вершина каждого треугольного звена подключена к соответствующей фазе через трехполюсный трехфазный ключ первой ступени,

при этом другие вершины треугольных звеньев соединены попарно по кольцу, а именно вторая вершина первого треугольного звена подключена к третьей вершине второго треугольного звена, вторая вершина второго треугольного звена подключена к третьей вершине третьего треугольного звена, вторая вершина третьего треугольного звена подключена к третьей вершине первого треугольного звена;

при этом узлы соединения вторых и третьих вершин соединены с трехполюсным трехфазным ключом второй ступени с возможностью подключения к третьей фазе относительно фаз своих звеньев.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная электрическая схема заявляемой конденсаторной установки. Устройство содержит одинаковые конденсаторные секции 1, 2..., N одинаковой мощности. Основной структурный элемент заявляемой конденсаторной установки - секция (поз.1) - составлена из трех одинаковых трехфазных треугольных звеньев 3, 4, 5. Каждое из них в свою очередь состоит из трех одинаковых силовых однофазных конденсаторов: звено 3 состоит из конденсаторов 6, 7, 8; звено 4 состоит из конденсаторов 9, 10, 11; звено 5 - из конденсаторов 12, 13, 14, выводы каждого из которых предназначены для подключения к фазам сети 15, 16, 17 через соответствующий трехполюсный трехфазный ключ 18 и 19.

Структура и работа секции 1 как модульного элемента заявляемой конденсаторной установки тождественна каждой секции 2, ..., N.

В режиме минимальной мощности, 20% от номинальной, первая вершина 20, 21, 22 каждого треугольного звена 3, 4, 5 соответственно подключена к соответствующей фазе сети: 20 - к 15; 21 - к 16; 22 - к 17 через трехполюсный трехфазный ключ 18. При этом вторая вершина 23 первого треугольного звена 3 подключена к третьей вершине 24 второго треугольного звена 4. Вторая вершина 25 второго треугольного звена 4 подключена к третьей вершине 26 третьего треугольного звена 5. Вторая вершина 27 третьего треугольного звена 5 подключена к третьей вершине 28 первого треугольного звена 3.

В режиме номинальной мощности узлы 29, 30, 31 соединения вторых и третьих вершин 23-24; 25-26; 27-28 соответственно соединены с трехполюсным трехфазным ключом 19 второй ступени с возможностью подключения к третьей фазе сети 15, 16, 17, относительно других фаз своих звеньев: узел 29 подключен к фазе 17, узел 31 - к фазе 16, узел 30 к фазе 15, чтобы образовались три независимых емкостных треугольных звена, подключенных к сети треугольником. При этом конденсаторы включаются параллельно по три: 12, 11, 7; 13, 9, 8; 14, 10, 6. За счет этого суммарная мощность всей секции достигает номинальной величины Qном_с=100% и равна:

где Qном_к1. - номинальная мощность одного конденсатора.

Работа установки

С появлением в сети реактивной мощности нагрузки регулятором установки (не показан) или вручную первым включают трехполюсный трехфазный ключ 18. После этого все звенья секции получают напряжение. Мощность всей секции составит 20% номинальной мощности секции (Qном_с). Шесть конденсаторов 7-9, 10-12, 13-6 получают напряжение более чем в два раза меньше, а три конденсатора 8, 11, 14 - в пять раз меньше номинального, поэтому выдаваемая реактивная мощность достигает 20% от номинальной мощности конденсаторной секции Qном_с.

Расчеты показывают, что в режиме включения ключа 18 на шести конденсаторах 7-9, 10-12, 13-6 напряжение U_к6=0,92Uф, где Uф - фазное напряжение сети. При этом , где Uл - линейное напряжение сети, определяющее его класс, например, Uл=0,4 кВ (6 кВ, 10 кВ, ... 110 кВ и т.д.).

На трех конденсаторах 8, 11, 14 устанавливается напряжение

Отсюда суммарная мощность, выдаваемая в этом случае конденсаторами с напряжением 0,92Uф, равна:

где Qном_к1 - номинальная мощность одного конденсатора, а суммарная мощность трех других конденсаторов равна

где Qном_к1 - номинальная мощность одного конденсатора.

Поэтому суммарная мощность секции на первой ступени регулирования:

т.е. в 5 раз меньше, чем номинальная мощность секции.

Для увеличения реактивной мощности секции замыкают трехполюсный трехфазный ключ 19. К попарно соединенным вершинам треугольников к узлам 29, 30, 31 подводится соответствующее фазное напряжение другой фазы, конденсаторы включаются параллельно по три: 12, 11, 7; 13, 9, 8; 14, 10, 6. За счет этого суммарная мощность всей секции достигает номинальной величины

Полученное соотношение между мощностями (5) и (6) составляет 1/5, что очень важно для покрытия индуктивной мощности холостого хода сети (сетевого трансформатора и нагрузки).

Технический результат также достигается и за счет того, что трехполюсный трехфазный ключ 19 коммутирует всего 2/3 тока секции. Поэтому потери в этом случае составляют 4/9 от потери в случае прямой коммутации секции. Коммутация ключом 18 «мягкая», т.к. конденсаторы в плечах треугольных звеньев при этом соединяются последовательно. Ток коммутации меньше, что позволяет выбрать трехполюсный трехфазный ключ с соответствующим меньшим номинальным значением.

Конкретный пример работы конденсаторной установки с одной двухступенчатой секцией на 100 квар.

С появлением в сети реактивной мощности нагрузки включают трехполюсный трехфазный ключ 18, трехполюсный трехфазный ключ 19 - выключен. Мощность секции в этом случае соответствует режиму холостого хода сети и составляет 20% от номинальной мощности секции. При работе в зимнее время конденсаторы охлаждаются, и поэтому при включении очень вероятен их электрический пробой. За счет 20% мощности секции постоянно идет подогрев конденсаторов. Следует отметить, что 20% - это та мощность, которая нужна в большинстве случаев для компенсации реактивной мощности силового питающего сетевого трансформатора и холостого хода нагрузки. На практике это занимает 40-60% времени работы конденсаторной установки.

Рабочая мощность второй ступни - 100%, когда включают трехполюсный трехфазный ключ 19, и все конденсаторы попадают под полное напряжение. Вторая ступень включается как вручную, так и от автоматического регулятора, который измеряет реактивную мощность нагрузки (не показан).

Если в сети требуется выдать 200, 300, 400 процентов емкостной реактивной мощности или более, добавляют следующие секции, но ключ 18 при этом может быть постоянно замкнут во всех секциях. Количество секций определяется мощностью нагрузки. Автоматический регулятор, устройство и работа которого в заявляемой установке не рассматриваются, измеряет мощность нагрузки и управляет секциями.

Применение предлагаемого устройства на современных промышленных предприятиях, особенно в условиях севера, увеличивает срок службы силовых конденсаторов примерно в 2 раза за счет их предварительного подогрева на первой ступени. При этом уменьшается износ коммутационной аппаратуры и уменьшаются потери электроэнергии, т.к. на первой ступени конденсаторы будут в основном включены с малой мощностью и с уменьшенным напряжением.

Регулирование нагрузки достигается путем замыкания ключа 19 и подключения следующих типовых конденсаторных секций.

Применение однотипных замыкающих ключей и модульный принцип наращивания установки за счет применения однотипных конденсаторных секций упрощает конструкцию и удешевляет ее.

Источники информации

1. Патент РФ №2024152. Трехфазная симметричная силовая конденсаторная батарея. Дата публикации: 30.11.1994.

2. Авторское свидетельство СССР №1495903. Конденсаторная установка. Бюл. №27, 23.07.89 (прототип).

Изобретение относится к электроэнергетике трехфазного переменного тока. Технический результат заключается в упрощении и удешевлении конструкции. Для этого устройство содержит трехфазные конденсаторные секции одинаковой мощности, состоящие из нескольких трехфазных звеньев, каждое из которых содержит три одинаковых силовых однофазных конденсатора, соединенных в треугольник, и трехполюсные трехфазные ключи для подключения секции к трехфазной сети переменного тока, при этом на первой ступени регулирования однофазные конденсаторы звеньев в плечах треугольника соединены между собой последовательно в режиме минимальной мощности, при этом первая вершина каждого треугольного звена подключена к соответствующей фазе через ключ первой ступени, при этом другие вершины треугольных звеньев соединены попарно по кольцу, а именно вторая вершина первого треугольного звена подключена к третьей вершине второго треугольного звена, вторая вершина второго треугольного звена подключена к третьей вершине третьего треугольного звена, вторая вершина третьего треугольного звена подключена к третьей вершине первого треугольного звена, при этом узлы соединения вторых и третьих вершин соединены с ключом второй ступени с возможностью подключения к третьей фазе относительно фаз своих звеньев. 1 ил.

Конденсаторная установка, содержащая трехфазные конденсаторные секции одинаковой мощности, состоящие из нескольких трехфазных звеньев, каждое из которых содержит три одинаковых силовых однофазных конденсатора, соединенных в треугольник, и электрические замыкающие ключи для подключения секции к трехфазной сети переменного тока, отличающаяся тем, что ключи для подключения секции к трехфазной сети переменного тока являются трехполюсными трехфазными, при этом на первой ступени регулирования однофазные конденсаторы звеньев в плечах треугольника соединены между собой последовательно в режиме минимальной мощности, при этом первая вершина каждого треугольного звена подключена к соответствующей фазе через трехполюсный трехфазный ключ первой ступени, при этом другие вершины треугольных звеньев соединены попарно по кольцу, а именно: вторая вершина первого треугольного звена подключена к третьей вершине второго треугольного звена, вторая вершина второго треугольного звена подключена к третьей вершине третьего треугольного звена, вторая вершина третьего треугольного звена подключена к третьей вершине первого треугольного звена, при этом узлы соединения вторых и третьих вершин соединены с трехполюсным трехфазным ключом второй ступени с возможностью подключения к третьей фазе относительно фаз своих звеньев.