ИСТОЧНИК РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110÷750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.

Известны традиционные средства компенсации и регулирования реактивной мощности в электрических сетях - синхронные компенсаторы (СК) и статические тиристорные компенсаторы (СТК).

СК являются вращающимися электрическими машинами, требующими закрытых помещений и постоянного квалифицированного обслуживания.

Аналогом предлагаемого изобретения по назначению и частично по составу оборудования является СТК, содержащий трехфазную силовую индуктивность, регулируемую последовательными тиристорными ключами и подключенную параллельно ей конденсаторную батарею [1]. В СТК отсутствуют подвижные элементы, однако СТК так же, как и СК, нуждается в охлаждении, закрытом помещении, специальном обслуживании, поскольку средством регулирования в них являются высоковольтные тиристорные ключи на номинальную мощность, не допускающую неизбежных в эксплуатации кратковременных и аварийных перегрузок. Кроме того, СТК (так же, как и СК) не могут быть выполнены на напряжение 110÷750 кВ, что требует подключения их к промежуточному трансформатору на полную мощность либо к третичной обмотке существующих автотрансформаторов (что возможно в существующих сетях далеко не всегда). И в первом, и во втором случае существенно снижается эффективность регулирования реактивной мощности на стороне высокого напряжения. Кроме того, в первом случае увеличивается стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации.

В то же время существует новый тип регулируемой силовой индуктивности - управляемый подмагничиванием реактор [2], на базе которого создается источник реактивной мощности (ИРМ), лишенный указанных выше недостатков и способный заменить СК и СТК в сетях напряжением 110÷750 кВ.

Известен также ИРМ, в состав которого входит помимо других электротехнических устройств и трехфазная группа управляемых подмагничиванием реакторов [3]. Аналог обеспечивает повышение эффективности регулирования реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования и повышение его надежности. Однако он имеет сниженные функциональные возможности из-за необходимости применения для питания источника подмагничивания сети собственных нужд подстанции.

Наиболее близким по назначению и составу оборудования (прототипом) является ИРМ, состоящий из регулируемой индуктивности - управляемого подмагничиванием трехфазного реактора, который непосредственно подключен к сети высокого напряжения, и конденсаторной батареи, также подключенной к сети высокого напряжения с секционированием через выключатели или к обмоткам управления [4]. Подмагничивание осуществляется применением управляемого выпрямителя, питаемого однофазным напряжением от обмоток управления или от системы собственных нужд подстанции. Прототип обеспечивает повышение эффективности регулирования реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования.

Однако он имеет следующие недостатки: сниженная надежность при питании только одного управляемого выпрямителя от системы собственных нужд подстанции, а не автономно (от реактора), ухудшение работы выпрямителя при питании от однофазного напряжения обмоток управления, возникновение несимметрии тока реактора и увеличение уровня высших гармоник в токе, сниженные функциональные возможности.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков, повышение надежности и увеличение функциональных возможностей ИРМ.

Указанная цель достигается тем, что в источник реактивной мощности, содержащий трехфазный управляемый подмагничиванием реактор с 6-ю стержнями, на каждом из которых расположены сетевая обмотка, подключенная к сети высокого напряжения, и обмотка управления, подключенную к сети трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из двух секций, фильтры 5-й и 7-й гармоник, подключенные к обмоткам управления, управляемый выпрямитель, соединенный на выходе с обмотками управления, и систему автоматического управления, введены второй дополнительный управляемый выпрямитель, основной и дополнительный трехфазный трансформатор питания управляемых выпрямителей. Обмотка управления реактора каждого из 6-ти стержней выполнена из трех частей, при этом части обмоток управления соединены в три открытых двойных треугольника и соединены с выходом управляемого выпрямителя, с трансформаторами питания управляемых выпрямителей и с фильтрами 5-й и 7-й гармоник.

Принципиальная схема ИРМ изображена на фиг.1. На фиг.2 показано расположение обмоток на стержнях магнитопровода трехфазного управляемого подмагничиванием реактора, схема соединений сетевых обмоток и показаны вводы реактора, на фиг.3 представлена схема соединений частей обмоток управления реактора, на фиг.4 - схема соединений обмоток трансформатора питания управляемых выпрямителей.

К шинам трехфазной сети 110÷750 кВ через секционные выключатели 1-3 и 4-6 подсоединены две секции трехфазной конденсаторной батареи 7 и 8 и через выключатели 9-11 трехфазный управляемый подмагничиванием реактор 12.

К системе автоматического управления САУ 13 подключены датчики напряжения фаз сети 110÷750 кВ - трансформаторы напряжения 14-16 и датчики тока реактора - трансформаторы тока 17-19. САУ 13 соединена с реактором 12 для автоматического (при необходимости и ручного) регулирования тока подмагничивания и реактивной мощности реактора и к секционным выключателям 1-3 и 4-6. Кроме того, к САУ 13 подсоединены маломощные источники переменного и постоянного напряжения («≈» и «=») для питания САУ и регулирования предварительного подмагничивания стержней реактора в режиме отключения ИРМ от высоковольтной сети.

Возможен также вариант схемы с общим трехфазным выключателем и разъединителем ИРМ (на фиг.1 не показан).

Реактор 12 вводами «+» и «-» соединен с соответствующими выходными вводами основного управляемого выпрямителя 20 и дополнительного 21, которые управляются системой 13 и получают трехфазное питание через основной трехфазный трансформатор 22 и дополнительный 23 от двух трехфазных систем а1-b1-с1 и а2-b2-с2, созданных обмотками управления реактора. К трехфазной системе а1-b1-с1 подключены LC-фильтры 5-й и 7-й гармоник 24 и 25.

Реактор 12 имеет 6 стержней 26-31 с сетевыми обмотками 32-37 и обмотками управления. Каждая из 6-ти обмоток управления имеет три части, т.е. имеется 18 частей обмоток управления 38-55. Для снижения добавочных потерь на циркулирующие токи в параллельных ветвях три части обмотки управления каждого стержня должны быть идентичными. Для этого они должны быть изготовлены намоткой одновременно тремя проводами (аналогично бифилярной намотке). Для упрощения описания принято, что все обмотки имеют одинаковый тип намотки (все обмотки имеют левую намотку), начало каждой обмотки отмечено звездочкой.

Попарно соединенные параллельно сетевые обмотки соседних стержней 32-33, 34-35 и 36-37 соединены в звезду и подсоединены к сетевым вводам А, В и С и нейтральному вводу 0.

Части обмоток управления соединены в 6 открытых треугольников, соединенных попарно параллельно.

Первый открытый треугольник составлен из последовательно согласно соединенных частей обмоток управления 38, 44 и 50 первого 26, третьего 28 и пятого 30 стержней, второй - из частей обмоток 43, 49 и 55 стержней 27, 29 и 31 (встречно частям обмоток первого треугольника). Конец части обмотки 50 и начало части обмотки 55 соединены вместе и подключены к вводу реактора «+». Начало части обмотки 38 и конец части обмотки 43 также соединены между собой и подключены к вводу реактора «-».

Третий открытый треугольник составлен из частей обмоток 45, 51 и 39 третьего 28, пятого 30 и первого 26 стержней, а четвертый - из частей обмоток 48, 54 и 42 четвертого 29, шестого 31 и второго 27 стержней, конец части обмотки 39 и начало части обмотки 42 соединены с вводом реактора «+», а начало части обмотки 45 и конец части обмотки 48 - с вводом «-».

Аналогично пятый открытый треугольник составлен из частей обмоток 52, 40 и 49 пятого 30, первого 26 и третьего 28 стержней, а шестой - из частей обмоток 53, 41 и 47 шестого 31, второго 27 и четвертого 29 стержней, конец части обмотки 46 и начало части обмотки 47 соединены с вводом реактора «+», а начало обмотки 52 и конец обмотки 53 - с вводом «-».

Конец части обмотки 38 и начало части обмотки 43 подсоединены к вводам реактора а1, конец части обмотки 45 и начало части обмотки 48 подсоединены к вводам реактора b1, конец части обмотки 52 и начало части обмотки 53 подсоединены к вводам реактора с1. Вводы реактора а1, b1 и с1 образуют трехфазную систему напряжений для присоединения LC-фильтров 24 и 25 и питания преобразователя - управляемого выпрямителя системы подмагничивания 22.

Начало части обмотки 39 и конец части обмотки 42 подсоединены к вводам реактора а2, начало части обмотки 46 и конец части обмотки 47 подсоединены к вводам реактора b2, начало части обмотки 50 и конец части обмотки 55 подсоединены к вводам реактора с2. Вводы реактора а2, b2 и с2 образуют дополнительную трехфазную систему напряжений.

К трехфазным системам напряжения a1-b1-c1 и а2-b2-с2 подсоединены первичными обмотками 56-58 трехфазные трансформаторы 22 и 23 питания трехфазным напряжением преобразователей - управляемых выпрямителей 20 и 21 от соединенных в треугольник вторичных обмоток 59-61.

В ИРМ управляемый подмагничиванием реактор 12 может быть трехфазным или в виде трехфазной группы однофазных реакторов.

Трансформаторы 22 и 23 питания управляемых выпрямителей могут быть трехфазными или в виде трехфазных групп однофазных трансформаторов.

Конденсаторные батареи 7 и 8 могут быть подсоединены к трехфазным системам напряжения a1-b1-c1 и а2-b2-с2.

ИРМ работает следующим образом.

При полной нагрузке сети (в дневное время суток) из-за падения напряжения возникает недостаток реактивной мощности и снижение напряжения сети. САУ 13, получив соответствующую информацию от трансформаторов напряжения 14-16, вырабатывает и передает сигналы на включение выключателями 1-3 и 4-6 двух секций конденсаторных батарей и снижение до нуля напряжения подмагничивания реактора 12. В результате реактор 12 снижает свой ток до минимального - переходит в режим холостого хода, и ИРМ переходит в режим выдачи в сеть максимальной реактивной мощности от двух секций конденсаторной батареи 7 и 8. В этом режиме отсутствия напряжения на вводах «+» и «-» реактор работает как трансформатор на холостом ходу, и на вводах а1-b1-с1 и а2-b2-с2 напряжение равно 2U_ф×K_тр - двойному напряжению обмотки управления 38-55 (U_ф - фазное напряжение сети, К_тр - коэффициент трансформации сетевой обмотки и обмотки управления).

При снижении нагрузки и ее отсутствии (например, в ночное время суток) в сети имеется избыточная реактивная мощность из-за наличия распределенной емкости сети на землю. В сети возникает повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа ИРМ в режиме потребления реактивной мощности. В этом случае САУ автоматически обеспечивает работу в режиме потребляемой ИРМ реактивной мощности при отключенных секционных выключателях 1-6 и включенном на полную мощность реакторе 12. В этом режиме управляемые выпрямители 20 и 21, питаемые от реактора через трансформаторы 22 и 23 симметричным трехфазным током, загружены на полную мощность. Двойные открытые треугольники частей обмоток управления фактически переходят в режим работы, аналогичный работам мостовых схем: цепи постоянного тока и подмагничивания и цепи переменного тока питания трансформаторов электрически работают независимо. В этом режиме, как и во всех режимах нагрузки, реактор фактически работает как реактор-трансформатор.

В промежуточных режимах при изменении нагрузки в сети происходит изменение напряжения, регистрируемое трансформаторами напряжения 14-16 для передачи САУ 13, которая, регулируя ток подмагничивания реактора и включение или отключение секций батарей конденсаторов 7 и 8, автоматически поддерживает напряжение сети в заранее установленных в САУ пределах. Включенные LC-фильтры 24 и 25 обеспечивают необходимое снижение уровня высших гармоник в токе реактора.

При изменении мощности реактора от холостого хода до номинальной может работать только один источник подмагничивания (трансформатор 22 и преобразователь 20), а в режимах максимальной мощности и кратковременной перегрузки к работе подключается параллельный дополнительный источник подмагничивания (трансформатор 23 и преобразователь 21).

Дополнительный источник (21 и 23) используется также в качестве резервного в случае ремонта источника подмагничивания или аварийного отключения трансформатора или преобразователя при их повреждении.

Дополнительный источник (21 и 23) используется при необходимости увеличения быстродействия реактора (при включении реактора, наборе и сбросе мощности). При этом выход выпрямителя дополнительного источника подмагничивания включается последовательно с выходом основного выпрямителя 20 (переход в режим форсировки подмагничивания).

Таким образом, применение дополнительного источника (21 и 23) расширяет функциональные возможности предлагаемого ИРМ и надежность его эксплуатации, что отличает его от известных аналогов.

Отличием предлагаемого ИРМ от известных устройств является то, что схема позволяет осуществить гальваническую связь всех обмоток управления и всех цепей трансформаторов и преобразователей с точкой заземления, что исключает возникновение на обмотках недопустимого «плавающего потенциала», наведенного емкостными или индуктивными паразитными связями со стороной высокого напряжения, который опасен из-за возможных разрядов и пробоев изоляции. Предложенная схема позволяет осуществить питание выпрямителей симметричным трехфазным напряжением от обмоток управления (эффект от этого - улучшение условий работы выпрямителей и снижение высших гармоник в токе обмоток реактора) и одновременно упростить конструкцию выпрямителей за счет того, что потенциал выпрямителей - это потенциал земли, а не высокий потенциал обмотки управления.

Работоспособность ИРМ и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, математическим моделированием, результатами испытаний аналогичных устройств. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов ИРМ для серийного производства.

Литература

1. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора тех. наук проф. A.M.Брянцева. - М.: «Знак». 2004.

2. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, № 2.

3. Патент на изобретение РФ № 2132581 по заявке № 98100385, приоритет изобретения 06.01.98. Опубликовано: 27.06.99 в бюл. № 18.

4. Патент на изобретение РФ № 2282912 по заявке № 2004121712, приоритет изобретения 16 июля 2004 года. Опубликовано: 27.08.2006 в бюл. № 24.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110-750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения. Источник реактивной мощности (ИРМ) содержит трехфазный управляемый подмагничиванием реактор с 6-ю стержнями, на каждом из которых расположены сетевая обмотка, подключенная к сети высокого напряжения, и обмотка управления, трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из двух секций и подключенную к сети, и фильтры 5-й и 7-й гармоник, подключенные к обмоткам управления, а также управляемый выпрямитель, соединенный на выходе с обмотками управления, и систему автоматического управления. Новым является то, что в источник реактивной мощности введены второй дополнительный управляемый выпрямитель, основной и дополнительный трехфазный трансформатор питания управляемых выпрямителей. Обмотка управления реактора каждого из 6-ти стержней выполнена из трех частей, при этом части обмоток управления объединены в три открытых двойных треугольника и соединены с выходом управляемого выпрямителя, с трансформаторами питания управляемых выпрямителей и с фильтрами 5-й и 7-й гармоник. Применение дополнительного источника подмагничивания с трансформатором расширяет функциональные возможности предлагаемого ИРМ и надежность его эксплуатации, что отличает его от известных аналогов. Предложенная схема позволяет осуществить питание выпрямителей симметричным трехфазным напряжением от обмоток управления (технический результат от этого - улучшение условий работы выпрямителей и снижение высших гармоник в токе обмоток реактора) и одновременно упростить конструкцию выпрямителей за счет того, что потенциал выпрямителей - это потенциал земли, а не высокий потенциал обмотки управления. 4 ил.

Источник реактивной мощности, содержащий трехфазный управляемый подмагничиванием реактор с 6 стержнями, на каждом из которых расположены сетевая обмотка, подключенная к сети высокого напряжения, и обмотка управления, трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из двух секций и подключенную к сети или к обмоткам управления, фильтры пятой и седьмой гармоник, подключенные к обмоткам управления, управляемый выпрямитель, соединенный на выходе с обмотками управления, и систему автоматического управления, отличающийся тем, что в источник реактивной мощности введены второй дополнительный управляемый выпрямитель, основной и дополнительный трехфазный трансформатор питания управляемых выпрямителей, обмотка управления реактора каждого из 6 стержней выполнена из трех частей, при этом части обмоток управления соединены в три открытых двойных треугольника и соединены с выходом управляемого выпрямителя, с трансформаторами питания управляемых выпрямителей и с фильтрами пятой и седьмой гармоник.