ТРАНСФОРМАТОР СРЕДНЕГО И НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ И СПОСОБ ЕГО ЭСКПЛУАТАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК H01F29/04 

Изобретение относится к трансформатору среднего и низкого напряжения со ступенчатым переключением.

Распределительные энергосети подвержены колебаниям напряжения, в частности за счет импедансов сетевых компонентов и переменных нагрузок. Желательно, чтобы эти колебания были как можно меньше. Для этого в трансформаторах между высоким и средним напряжениями используются ступенчатые переключатели. Такой переключатель компенсирует возникающие в случае изменений нагрузки колебания напряжения, изменяя коэффициент трансформации. Для этой цели, по меньшей мере, одна из обмоток трансформатора снабжена рядом ответвлений, которые могут электрически соединяться посредством избирателя. Кроме того, предусмотрен переключатель, который осуществляет бесперебойное переключение между двумя положениями избирателя также под нагрузкой. Межвитковое короткое замыкание предотвращается за счет того, что ток принуждается к протеканию на короткое время через резисторы.

Возможно, что в будущем энергоснабжение по сравнению с сегодняшней ситуацией будет происходить менее централизованно. Это значит, что электроэнергия будет производиться ближе к потребителю, чем сегодня на большом числе установок меньшей мощности. Такими установками являются, например, фотоэлектрические установки, ветросиловые установки и работающие на биомассе электростанции или же блочные тепловые электростанции меньшей мощности. Из-за реализуемого, скорее, комбинированного производства электроэнергии и тепла электростанции меньшей мощности, по меньшей мере, в принципе весьма предпочтительны. Если выработанная электроэнергия не может отбираться непосредственно, то требуется ее подача из сети низкого напряжения в сеть среднего напряжения, чтобы обеспечить лишенную потерь передачу на большие расстояния. Для этого требуется предусмотреть в распределительном трансформаторе переменный коэффициент трансформации.

Задачей изобретения является создание трансформатора среднего и низкого напряжения со ступенчатым переключением, который имел бы особенно простую конструкцию. Другая задача изобретения состоит в создании способа эксплуатации такого трансформатора.

Эта задача решается посредством трансформатора среднего и низкого напряжения с признаками п.1 формулы. Предпочтительные варианты и модификации приведены в зависимых пунктах. Также задача изобретения решается посредством способа с признаками п.10 формулы.

Предложенный трансформатор среднего и низкого напряжения имеет ступенчатое переключение. При этом одна из обмоток трансформатора, преимущественно вторичная обмотка на стороне низкого напряжения, имеет два концевых ответвления и, по меньшей мере, одно дополнительное ответвление. Кроме того, предусмотрено, по меньшей мере, одно коммутационное устройство для электрического соединения, по меньшей мере, одного из ответвлений с выходным проводом трансформатора. Наконец, предусмотрено, по меньшей мере, одно полупроводниковое коммутационное устройство, электрически соединенное с выходным проводом и одним из ответвлений.

Предпочтительно первое из концевых ответвлений соединено непосредственно с первым выходным проводом трансформатора и больше не изменяется для ступенчатого переключения или используется особым образом. Второе концевое ответвление на другом конце обмотки, напротив, используется вместе с дополнительным или дополнительными ответвлениями для ступенчатого переключения, а ответвления более комплексным образом соединены для этого со вторым выходным проводом трансформатора.

Коммутационное устройство включает в себя предпочтительно механические выключатели, имеющие предпочтительно особенно низкое сопротивление в пропускном направлении, особенно предпочтительно обеспечивает независимые подключение и отключение отдельных ответвлений. При этом коммутационное устройство целесообразно попеременно соединяет отдельные ответвления со вторым выходным проводом трансформатора.

Предложенный трансформатор среднего и низкого напряжения имеет предпочтительно простую и не требующую обслуживания за счет полупроводниковых выключателей конструкцию и обеспечивает ступенчатое переключение без прерывания нагрузки со среднего напряжения на низкое.

Целесообразно, однако не обязательно, если ступенчатый переключатель содержит управляющее устройство, которое самопроизвольно осуществляет управление переключением нагрузки. Для этого управляющее устройство содержит целесообразно средства, которые позволяют обнаружить, когда должно произойти переключение. Например, речь может идти при этом о средствах для определения напряжения и/или тока на входной или выходной стороне. Они позволяют определить, необходимо ли переключение, если, например, при повышенной нагрузке на выходной стороне, обнаруживается соответствующее легкое понижение выходного напряжения. В качестве альтернативы управление переключением нагрузки может осуществляться также вне ступенчатого переключателя. В этом случае ступенчатый переключатель содержит целесообразно средства, обеспечивающие управление извне. При этом речь может идти о косвенном, например цифровом, дистанционном управлении, которое в ступенчатом переключателе преобразуется посредством управляющего устройства в фактическое управление переключателем. Также речь может идти о непосредственном аналоговом управлении извне, которое может осуществляться, при необходимости, даже без внутреннего управляющего устройства, например, за счет непосредственной подачи тока извне к исполнительному органу коммутационного элемента.

Особенно предпочтительно, если коммутационное устройство соединено только с дополнительными ответвлениями, т.е. не с концевыми ответвлениями. Тогда целесообразно, если имеются несколько дополнительных ответвлений, т.е., по меньшей мере, два. Тогда целесообразно также, если полупроводниковое коммутационное устройство соединено с одним из концевых ответвлений. Такая конструкция обеспечивает особенно предпочтительную эксплуатацию.

Как только переключение представится необходимым, включается полупроводниковое коммутационное устройство. Это включение происходит предпочтительно при прохождении переменного напряжения через нуль, причем целесообразно учитывается задержка включения полупроводниковых выключателей полупроводникового коммутационного устройства, т.е., например, задержка зажигания тиристоров. Это предотвращает скачок напряжения.

Когда полупроводниковое коммутационное устройство включено, возникает межвитковое короткое замыкание, поскольку между одним из дополнительных ответвлений через коммутационный элемент и полупроводниковое коммутационное устройство возникает непосредственное соединение с концевым ответвлением. В результате в этой цепи возникнет ток. Для замедления возникновения этого тока преимущественно последовательно с полупроводниковым коммутационным устройством включена индуктивность. В качестве альтернативы или дополнительно к ограничению тока может быть предусмотрен также резистор.

За счет относительного расположения полупроводникового коммутационного устройства на концевом ответвлении и коммутационного элемента на одном из дополнительных ответвлений ток в цепи короткого замыкания между витками противоположен нагрузочному току. Вследствие этого достигается момент времени, в который ток в цепи короткого замыкания между витками принимает то же значение, что и нагрузочный ток, и, тем самым, через коммутационный элемент больше почти не течет ток. Иначе говоря, в этот момент времени нагрузочный ток полностью коммутирован с полупроводниковым коммутационным устройством.

Этот момент времени используется для выключения соединения посредством коммутационного элемента. Поскольку в течение времени, в которое через коммутационный элемент не течет ток или течет очень мало тока, также падает соответственно мало напряжения, возможно отключение без дуги, что является особенно щадящим для коммутационного элемента. В качестве альтернативы может быть осуществлено также размыкание коммутационного элемента еще перед прохождением через нуль, в частности в момент времени, в который полупроводниковое коммутационное устройство уже является надежно проводящим. В этом случае при размыкании коммутационного элемента возникнет дуга, которая, однако, в процессе коммутирования тока гаснет очень быстро, обычно в диапазоне микросекунд, поскольку ток через коммутационный элемент исчезает.

Предпочтительно, если трансформатор среднего и низкого напряжения включает в себя средства для определения значения, представляющего напряжение и/или ток через коммутационный элемент, поскольку тогда можно определить непосредственно момент времени для размыкания коммутационного элемента. Этот момент времени в описанном выше способе эксплуатации возникает, например, тогда, когда ток становится нулевым. Другая возможность размыкания коммутационного элемента заключается в том, что ток или напряжение, в частности его максимальные значения в пределах каждого периода, ниже определенного порога, который немного больше нуля. Другая альтернатива состоит в том, чтобы установить момент времени для размыкания коммутационного элемента с помощью временного управления в зависимости от времени включения полупроводникового коммутационного устройства, например через 2 мс после его включения.

После размыкания коммутационного элемента через полупроводниковое коммутационное устройство течет нагрузочный ток, и межвитковое короткое замыкание устранено.

Затем коммутационный элемент снова замыкается для создания соединения с другим из дополнительных ответвлений обмотки. Также в этом случае предпочтительно, если для замыкания соединения выбирается подходящий момент времени. Для этого можно выбрать, например, момент времени, в который напряжение через коммутационный элемент точно соответствует напряжению через полупроводниковое коммутационное устройство. При этом следует исходить из того, что из-за полупроводниковых выключателей через полупроводниковое коммутационное устройство всегда падает небольшое напряжение. При замыкании коммутационного элемента предпочтительно учитывать время замыкания, которое требуется ему для создания электрического контакта. Замыкание в этот момент времени позволяет избежать скачков напряжения. Альтернативный метод заключается в замыкании коммутационного элемента тогда, когда напряжение за счет частоты сети проходит через нуль.

После того как коммутационный элемент снова создаст электрическое соединение, полупроводниковое коммутационное устройство может быть отключено, или в зависимости от используемого полупроводникового выключателя может быть устранено зажигание.

В одном варианте осуществления изобретения в качестве полупроводникового выключателя предусмотрен тиристорный контур. Предпочтительно, что он выполнен самоотключающимся и обеспечивает, таким образом, простое управление. Тиристорный контур состоит предпочтительно из двух встречно-параллельно включенных тиристорных элементов, причем каждый состоит из тиристора или параллельной и/или сериесной схемы тиристоров. Вместе с тиристорами могут использоваться также другие электрические элементы.

В качестве альтернативы тиристорам в качестве полупроводниковых выключателей могут использоваться также отключаемые полупроводниковые выключатели, в частности GTO (Gate Turn-Off Thyristor - запираемый тиристор). Это обеспечивает активное отключение линии за счет полупроводникового выключателя, что, в свою очередь, сокращает время межвиткого короткого замыкания посредством замкнутого коммутационного элемента и проводящего полупроводникового выключателя.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрены средства для определения тока в зоне коммутационного элемента или полупроводникового выключателя.

Предпочтительные, однако ни в коем случае не ограничивающие изобретение примеры его осуществления более подробно поясняются с помощью чертежей. При этом признаки изображены схематично, а соответствующие признаки обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На чертежах представляют:

- фиг.1: первый трансформатор со сплошной вторичной обмоткой со ступенчатым переключателем;

- фиг.2: диаграмму процесса ступенчатого переключения с первым трансформатором.

На чертежах изображены варианты выполнения трансформаторов среднего и низкого напряжения. В реальной практике они выполняются целесообразно трехфазными. Однако для лучшей наглядности на чертежах изображено только однофазное выполнение. По той же причине ступенчатые переключатели имеют в примерах выполнения только три возможности установки коэффициента трансформации, тогда как в действительности ступенчатые переключатели часто могут устанавливать более трех коэффициентов трансформации. Изобретение может применяться также с более чем тремя коэффициентами трансформации. Напряжение на стороне первичных обмоток должно составлять, например, 10 кВ, тогда как на стороне вторичной обмотки выдается напряжение 400 В.

На фиг.1 изображен трансформатор 1 со ступенчатым переключением. Помимо первичной обмотки (не показана) он содержит сплошную вторичную обмотки. Она состоит из четырех секций 17а-17d. Первая секция 17а охватывает при этом около 70% длины вторичной обмотки, тогда как вторая, третья и четвертая секции 17b-17d охватывают примерно по 10% ее длины. Схема на фиг.1 представлена не точно в масштабе. Из относительных долей вторичной обмотки возникают устанавливаемые коэффициенты трансформации, и понятно, что возможно также совершенно другое разделение вторичной обмотки. Секции 17а-17d образованы первым 2, вторым 3 и третьим 4 ответвлениями, причем первое ответвление 2 составляет 70%, второе ответвление 3-80%, а третье ответвление 4-90% длины вторичной обмотки. С началом вторичной обмотки соединен первый выходной провод 11 трансформатора 1. Его второй выходной провод 12 соединен с ответвлениями 2-4 более комплексным образом для реализации ступенчатого переключения.

Для ступенчатого переключения предусмотрен механический ступенчатый переключатель 20, средний вывод которого соединен со вторым выходным проводом 12. Переключатель 20 может создавать соединение между своим средним выводом и первым 13, вторым 14 или третьим 15 соединением. Первое соединение 13 соединяет ответвление 2 и один из выводов переключателя 20. Второе соединение 14 соединяет ответвление 3 с другим выводом переключателя 20, а третье соединение 15 - ответвление 4 с его последним выводом. При этом переключатель 20 выполнен целесообразно так, что разъединение выводов и создание соединения между ними может происходить независимо друг от друга, т.е. несколько механических коммутационных элементов образуют сообща переключатель 20.

Далее между концевым ответвлением 52 вторичной обмотки и вторым выходным проводом 12 имеется четвертое соединение 18, которое ведет через тиристорный контур 5, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Схема из двух тиристоров является лишь примером. В зависимости от ожидаемой нагрузки один из тиристоров может представлять соответственно последовательную и/или параллельную схему из нескольких тиристорных элементов, таких как IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), GTO и т.п. Последовательно с тиристорным контуром 5 включена индуктивность 53, которая служит для задержки тока в случае межвиткового короткого замыкания.

В каждом из соединений 13-15 и в зоне среднего вывода переключателя 20 предусмотрена измерительная точка 7-10. Кроме того, имеется блок управления 6. Он может определять напряжение в измерительных точках 7-10 и с помощью полученных значений управлять тиристорным контуром 5 и переключателем 20.

Процесс ступенчатого переключения посредством устройства на фиг.1 поясняется с помощью фиг.2. На первом этапе 21 следует исходить из того, что механический переключатель 20 создает электрическое соединение между вторым выходным проводом 12 и первым соединением 13. Первый путь тока 26 ведет, следовательно, от первого выходного провода 11 через первую секцию 17 вторичной обмотки и первое соединение 13 ко второму выходному проводу 12. При этом используется около 70% вторичной обмотки. Тиристоры не зажжены.

На втором этапе 22 осуществляется переключение. При этом механический переключатель 20 переключается между своими выводами так, что вместо первого ответвления 2 со вторым выходным проводом 12 соединяется второе ответвление 3. Во время переключения тиристорный контур 5 пропускает ток. Это происходит бесперебойно, причем точное переключение показано ниже. Во время переключения второй путь тока 27 ведет, следовательно, от первого выходного провода 11 через все секции 17а-17d вторичной обмотки. Далее он ведет через четвертое соединение 18 и, тем самым, через тиристорный контур 5 ко второму выходному проводу 12. При этом используется вся вторичная обмотка. Как только переключатель 20 переключен, зажигание тиристорного контура 5 закончено.

После переключения наступает состояние, используемое на третьем этапе 23. При этом используется около 80% вторичной обмотки, а третий путь тока 28 ведет от первого выходного провода 11 через первую 17а и вторую 17b секции вторичной обмотки и второе соединение 14 ко второму выходному проводу 12.

На четвертом этапе 24 снова осуществляется переключение. При этом механический переключатель 20 переключается между своими выводами так, что вместо второго ответвления 3 со вторым выходным проводом 12 соединяется третье ответвление 4. Во время переключения тиристорный контур 5 пропускает ток. Во время переключения четвертый путь тока 29 ведет, следовательно, от первого выходного провода 11 через всю вторичную обмотку. Далее он ведет через четвертое соединение 16 и, тем самым, через тиристорный контур 5 ко второму выходному проводу 12. Как только переключатель 20 переключен, зажигание тиристорного контура 5 закончено.

После переключения наступает состояние, используемое на пятом этапе 25. При этом используется 90% вторичной обмотки, а путь тока ведет от первого выходного провода 11 через первую 17а, вторую 17b и третью 17с секции вторичной обмотки и третье соединение 15 ко второму выходному проводу 12.

Дальнейшие переключения осуществляются аналогичным образом. При этом переключатель 20 должен переключаться не между соседними ответвлениями 2-4, а переключение может происходить между любыми ответвлениями, т.е., например, непосредственно от первого ответвления 2 к третьему ответвлению 4 или наоборот.

Способ, с помощью которого осуществляется переключение, более точно поясняется на примере. Следует исходить из того, что блок управления 6 устанавливает, что переключение между двумя ответвлениями представляется необходимым. На основании этого блок управления обеспечивает зажигание тиристоров в тиристорном контуре 5. Момент зажигания выбирается при этом так, что не возникает скачка напряжения. Идеальным образом для этого выбирается момент, который на отрезок времени лежит перед прохождением напряжения сети через нуль, причем этот отрезок времени соответствует задержке зажигания тиристоров. Этим достигается то, что тиристоры при прохождении напряжения через нуль могут, в принципе, пропускать нагрузочный ток.

Когда тиристоры находятся в проводящем состоянии, за счет соединения через выключатель 20 и тиристоры возникает межвитковое короткое замыкание, в котором участвует одна секция вторичной обмотки. В этой цепи короткого замыкания может течь очень высокий ток. Рабочая скорость ограничена в этом примере индуктивностью 53.

За счет относительного расположения тиристоров на концевом ответвлении 52 и переключателя 20 на одном из дополнительных ответвлений 2-4 ток в цепи короткого замыкания между витками противоположен нагрузочному току. Вследствие этого достигается момент времени, в который ток в цепи короткого замыкания между витками принимает то же значение, что и нагрузочный ток, и, тем самым, через переключатель 20 больше не течет ток.

Этот момент времени используется для выключения соединения посредством переключателя. При этом размыкание переключателя может быть осуществлено предпочтительно еще незадолго до ожидаемого прохождения через нуль, в частности в момент времени, в который тиристоры уже находятся в надежно проводящем состоянии. В этом случае при размыкании коммутационного элемента возникнет дуга, которая, однако, в процессе коммутирования тока гаснет очень быстро, обычно в диапазоне микросекунд, поскольку ток через коммутационный элемент исчезает. Если дуга однажды погасла, то при возрастании напряжения через коммутационный элемент она больше заново не возникает. Для плавного переключения целесообразно, если для размыкания соединения управление переключателем 20 происходит так, что он размыкается только тогда, когда тиристоры уже находятся в проводящем состоянии.

Вследствие этого тиристоры пропускают нагрузочный ток, а за счет размыкания переключателя 20 межвитковое короткое замыкание устранено. Замыкание нового соединения переключателя 20 происходит предпочтительно при естественном прохождении напряжения сети через нуль для достижения плавного перехода линии. Поскольку после замыкания переключателя 20 снова возникает межвитковое короткое замыкание, целесообразно закончить зажигание тиристоров своевременно до прохождения через нуль во избежание отпирания тиристоров одновременно с размыканием переключателя 20.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в распределительных сетях для уменьшения колебаний напряжения. Технический результат состоит в упрощении конструкции. Трансформатор содержит ступенчатый переключатель, основанный на одном или нескольких механических переключателях. При переключении ток направляется через полупроводниковые выключатели, чтобы обеспечить бесперебойность. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Трансформатор (1, 50) для трансформации между средним и низким напряжением со ступенчатым переключением, в котором
- одна из обмоток трансформатора имеет два концевых ответвления, и по меньшей мере, два средних ответвления;
- предусмотрены, по меньшей мере, одно коммутационное устройство (20, 35, 36) для коммутируемого электрического соединения одного из средних ответвлений с выходным проводом трансформатора и, по меньшей мере, одно полупроводниковое коммутационное устройство (5,37), электрически соединенное с выходным проводом и непосредственно с одним из концевых ответвлений.

2. Трансформатор по п.1, в котором предусмотрены средства для определения значения, представляющего напряжение и/или ток через коммутационный элемент.

3. Трансформатор по п.1 или 2, в котором предусмотрены средства для определения значения, представляющего напряжение через полупроводниковое коммутационное устройство.

4. Трансформатор по п.1 или 2, в котором коммутационное устройство (20, 35, 36) содержит механические переключатели (20, 35, 36).

5. Трансформатор по п.1 или 2, в котором полупроводниковое коммутационное устройство (5, 37) включает в себя два встречно-параллельно включенных полупроводниковых элемента, в частности два тиристора.

6. Трансформатор по п.1 или 2, в котором полупроводниковое коммутационное устройство (5, 37) содержит выключаемые полупроводниковые элементы, в частности транзисторы, такие как GTO или IGСT.

7. Трансформатор по п.1 или 2, в котором последовательно с полупроводниковым коммутационным устройством (5, 37) включена индуктивность или резистор.

8. Способ эксплуатации трансформатора (1, 50) для трансформации между средним и низким напряжением со ступенчатым переключением по любому из пп.1-7, содержащего полупроводниковое коммутационное устройство для временного пропускания тока в процессе переключения коммутационного устройства, причем в процессе переключения коммутационного устройства определяют первый момент времени, в который ток через коммутационное устройство становится нулевым, а коммутационное устройство к этому моменту времени размыкается.

9. Способ по п.8, при котором полупроводниковое коммутационное устройство включают незадолго до прохождения через нуль.

10. Способ по п.8 или 9, в котором после размыкания коммутационного устройства определяют второй момент времени, в который напряжение между целевым ответвлением коммутационного устройства и выходным проводом трансформатора соответствует напряжению через полупроводниковое коммутационное устройство, а коммутационное устройство к этому второму моменту времени замыкается.

11. Способ по п.10, в котором продолжительность замыкания коммутационного элемента учитывают при определении второго момента времени.