УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА СТОЙКОСТЬ К ТОКАМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01R31/02 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнергетики и, в частности, к устройствам для электродинамических испытаний токами короткого замыкания (КЗ) высоковольтных силовых трансформаторов большой мощности (более 80 МВА), реакторов, выключателей и другого высоковольтного электрооборудования. Задача таких испытаний, проводимых на специализированных испытательных стендах, - определение электромеханической стойкости оборудования в режимах внезапного короткого замыкания с целью усовершенствования его технических характеристик и конструктивных решений.

Уровень техники

Электродинамические испытания проводят в соответствии с действующими стандартами. Например, испытания силовых трансформаторов проводят в соответствии с [ГОСТ 20243-74. Трансформаторы силовые. Методы испытаний на стойкость к коротким замыканиям], который регламентирует нормированный уровень ударного тока КЗ в зависимости от номинальной мощности трансформатора и нормированную длительность (0,2 с) испытательного КЗ.

Мощность, кратковременно потребляемая из сети при испытаниях на стойкость к КЗ, зависит от номинальной мощности испытуемого трансформатора и превышает ее в десятки раз. Так, например, для испытаний трансформатора типа ТДЦ 250000/220 мощностью 250 МВА и номинальным напряжением 220 кВ в соответствии с требованиями ГОСТ необходима мощность энергосистемы ≈ 15600 МВА.

Обеспечение этой мощности является основной проблемой при электродинамических испытаниях трансформаторов большой мощности на стойкость к КЗ. При этом проблемой становится не только выдача энергосистемой требуемой мощности, но и адаптация энергосистемы, ее генерирующего и другого электрооборудования к импульсным возмущениям, возникающим при проведении серии подобных испытаний.

Известны устройства для электродинамических испытаний силовых трансформаторов с питанием от автономных источников трехфазного тока [SU 1394172, SU 1608595] и с питанием от сети энергосистемы [RU 2041472, RU 2505600].

Известные устройства не позволяют производить электродинамические испытания силовых трансформаторов большой мощности (более 80 МВА), поскольку при проведении таких испытаний броски нагрузки на энергосистему могут достигать нескольких тысяч МВА.

Использование для получения испытательного напряжения промышленной частоты колебательного LC-контура с предварительным накоплением в нем энергии не позволяет обеспечить требуемую ГОСТом стабильность испытательного напряжения в течение заданного времени короткого замыкания (0,2 с) из-за затухания колебаний, обусловленного активными потерями в колебательном контуре и испытуемом оборудовании (например, трансформаторе).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности испытательного напряжения и уменьшение требуемой мощности питания.

Предметом изобретения является устройство для испытаний высоковольтного электрооборудования на стойкость к токам короткого замыкания, содержащее конденсаторную батарею, подключенную к выходу первого преобразователя напряжения, катушку индуктивности, подключенную через коммутатор к накопительному конденсатору, вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между выводом катушки индуктивности и выходом устройства, предназначенным для подключения испытуемого оборудования, а первичная обмотка подключена к выходу второго преобразователя напряжения, информационный вход которого связан с датчиками выходного тока и выходного напряжения устройства, при этом второй преобразователь напряжения выполнен с возможностью формирования на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора напряжения, компенсирующего активные потери установки и испытуемого оборудования.

Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.

Формирование вторым преобразователем напряжения, компенсирующего активные потери, может быть выполнено на принципах автоматического регулирования различным образом. Развитие изобретения характеризует частный случай и состоит в том, что второй преобразователь напряжения выполнен с возможностью формирования компенсирующего напряжения в соответствии с векторным выражением:

где $${\overline{e}}_k$$ - компенсирующее напряжение;

U₀ - номинальное значение испытательного напряжения;

U_n - текущее значение выходного напряжения;

$${\overline{i}}_n$$ - выходной ток;

k_u, k_i - коэффициенты регулирования второго преобразователя по напряжению и току соответственно.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена общая схема устройства.

На фиг. 2 и 3 приведены возможные структурные схемы составных частей устройства (преобразователей напряжения).

На фиг. 4 приведены результаты компьютерного моделирования испытаний мощного трансформатора на стойкость к КЗ, проводимых с помощью предлагаемого устройства.

Осуществление изобретения с учетом его развития

Устройство на фиг. 1 содержит конденсаторную батарею (КБ) 1, катушку индуктивности 2 с отводами различных уровней высокого напряжения 110-750 кВ, коммутатор 3, первый преобразователь напряжения 4, вольтодобавочный трансформатор 5, второй преобразователь напряжения 6, датчик 7 выходного тока и напряжения (условно показан один совмещенный датчик). Батарея 1 подключена к выходу преобразователя 4. Катушка 2 подключена через коммутатор 3 к батарее 1. Вторичная обмотка трансформатора 5 включена между выводом катушки 2 и выходом устройства, предназначенным для подключения испытуемого оборудования.

Первичная обмотка трансформатора 5 подключена к выходу преобразователя 6, информационный вход которого связан с датчиками 7.

На фиг. 1 также показаны элементы испытательного стенда: силовой трансформатор 8, от обмоток которого, в частном случае, могут питаться преобразователи 4 и 6, операторский пульт 9, ключ 10, подключающий выход устройства к испытуемому трансформатору 11 (помимо заявляемого устройства на испытательном стенде могут размещаться устройства для других видов испытаний электрооборудования, использующие элементы 8-10).

Структурная схема преобразователя 4, показанная на фиг. 2, содержит выпрямитель-инвертор 12 и выпрямитель-инвертор 13 с блоком управления 14 и сглаживающим дросселем 15.

На фиг. 3 показана структурная схема преобразователя 6 с элементами управления. Преобразователь 6 выполнен по схеме инвертора напряжения с широтно-импульсным (ШИМ) управлением и однофазным выходом, к которому подключена первичная обмотка трансформатора 5. Преобразователь 6 содержит неуправляемый выпрямитель 16, фильтрующий конденсатор 17 и инвертор 18 на полностью управляемых полупроводниковых элементах IGBT, или IGCT. Кроме того, в состав преобразователя 6 входят элементы управления инвертором 18: регулятор напряжения 19 с коэффициентом усиления k_u, регулятор тока 20 с коэффициентом усиления k_i, перемножитель 21, сумматор 22 и ШИМ-модулятор 23.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии устройство подключено к сети через трансформатор 8, первичная обмотка трансформатора 11 через вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 5 подключена к требуемой по классу напряжения отпайке катушки индуктивности 2. Ключ 10 и коммутатор 3 разомкнуты. Вторичная обмотка испытуемого трансформатора 11 закорочена. Пульт 9 испытательного стенда по заданию оператора (или под управлением программы) формирует команды «Заряд КБ» - «Возбуждение контура» - «Короткое замыкание» - «Гашение контура».

По команде «Заряд КБ» с пульта 9 первый преобразователь 4 включается в режим заряда конденсаторной батареи 1 до заданного уровня напряжения.

По команде «Возбуждение контура» преобразователь 4 выходит из режима заряда (снимаются импульсы управления ключами преобразователя), замыкается коммутатор 3 и из батареи 1 и катушки 2 формируется колебательный контур с частотой колебаний, близкой к промышленной частоте 50 Гц.

По команде «Короткое замыкание» на ключ 10 подается серия открывающих импульсов длительностью 0,2 с каждый. Датчик 7 выходного тока и напряжения выдает преобразователю 6 сигналы, соответствующие значениям тока и напряжения на выходе устройства.

Преобразователь 6, управляемый током и напряжением датчика 7, формирует на вторичной обмотке трансформатора 5 напряжение компенсации $${\overline{e}}_k$$ в соответствии с векторным выражением (1).

Напряжение $${\overline{e}}_k$$ суммируется с напряжением $${\overline{U}}_k$$ , снимаемым с катушки 2. Векторная сумма напряжений $${\overline{U}}_k+{\overline{e}}_k$$ поступает на первичную обмотку испытуемого трансформатора 11. При этом обеспечивается стабилизация выходного напряжения устройства с автоматической компенсацией активных потерь за счет положительной обратной связи по выходному току, глубина которой зависит от разности напряжений U₀-U_n.

Через 0,2 с по команде «Гашение контура» ключ 10 размыкается, а преобразователь 4 переводится в режим инвертора для рекуперации в сеть неизрасходованной энергии колебательного контура.

Управление преобразователем 4 (фиг. 2) в режимах заряда и разряда с рекуперацией энергии колебательного контура осуществляет блок 14 по командам с пульта 10. В режиме заряда конденсаторной батареи 1 выпрямитель 12 работает в управляемом выпрямительном режиме, а в мостовом выпрямителе 13 отпирающие импульсы подаются только на выделенные на фиг. 2 тиристоры противоположных плеч. В режиме гашения колебательного контура с рекуперацией энергии в сеть выпрямитель 12 переводится в режим инвертора, а выпрямитель 13 - в режим выпрямителя.

В преобразователе 6 (фиг. 3) напряжение компенсации $${\overline{e}}_k$$ по выражению (1) формируется из постоянного напряжения, полученного на выходе выпрямителя 16 с помощью инвертора 18, управляемого элементами 19-23. Соответствующим выбором коэффициентов k_u. и k_i может быть реализована требуемая точность поддержания напряжения в режиме КЗ.

При этом преобразователем 6 в испытательную цепь вводится только активная мощность, компенсирующая потери в трансформаторе 11 и колебательном контуре. Эта мощность в 20-50 раз меньше реактивной мощности нагрузки (испытуемого трансформатора в режиме короткого замыкания), обеспечиваемой колебательным контуром.

На фиг. 2 приведена осциллограмма компьютерного моделирования испытаний с помощью предлагаемого устройства на стойкость к КЗ силового трансформатора типа ТДЦ 400000/220 кВ. Обозначения на осциллограмме:

U_n - напряжение на испытуемом трансформаторе (вольт);

I_n - ток первичной обмотки испытуемого трансформатора (ампер);

U_k - напряжение на колебательном контуре (вольт).

Как видно из осциллограммы, напряжение U_n на первичной обмотке испытуемого трансформатора в процессе опытов КЗ поддерживается стабильным и равным номинальному значению (амплитудное значение напряжения ≈200 кВ).

При испытаниях подобного трансформатора от сети или автономного источника с помощью известных устройств потребовался бы импульс мощности ≈1350 MBА, при этом для обеспечения стабильности испытательного напряжения в течение 0,2 с мощность в точке подключения устройства должна быть не менее 20000 МВА, что практически возможно только при проведении испытаний, например непосредственно на территории Конаковской ГРЭС.

Изобретение относится к области электроэнергетики и, в частности, к устройствам для электродинамических испытаний токами короткого замыкания (КЗ) высоковольтных силовых трансформаторов. Технический результат: повышение стабильности испытательного напряжения и уменьшение требуемой мощности питания. Сущность: устройство содержит конденсаторную батарею (1), подключенную к выходу первого преобразователя напряжения (4), катушку индуктивности (2), подключенную через коммутатор (3) к конденсаторной батарее (1), вольтодобавочный трансформатор (5), вторичная обмотка которого включена между выводом катушки (2) и выходом устройства, предназначенным для подключения испытуемого оборудования. Первичная обмотка трансформатора (5) подключена к выходу второго преобразователя напряжения (6), информационный вход которого связан с датчиками (7) выходного тока и выходного напряжения. Преобразователь (6) выполнен с возможностью формирования на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора напряжения, компенсирующего активные потери установки и испытуемого оборудования в соответствии с векторным выражением:

,

где $${\overline{e}}_k$$ - компенсирующее напряжение; U₀ - номинальное значение испытательного напряжения; U_n - текущее значение выходного напряжения; $${\overline{i}}_n$$ - выходной ток; k_u, k_i - коэффициенты регулирования преобразователя (6) по напряжению и току соответственно. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для испытаний высоковольтного электрооборудования на стойкость к токам короткого замыкания, содержащее конденсаторную батарею, подключенную к выходу первого преобразователя напряжения, катушку индуктивности, подключенную через коммутатор к накопительному конденсатору, вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между выводом катушки индуктивности и выходом устройства, предназначенным для подключения испытуемого оборудования, а первичная обмотка подключена к выходу второго преобразователя напряжения, информационный вход которого связан с датчиками выходного тока и выходного напряжения устройства, при этом второй преобразователь напряжения выполнен с возможностью формирования на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора напряжения, компенсирующего активные потери установки и испытуемого оборудования.

2. Устройство по п. 1, в котором второй преобразователь напряжения выполнен с возможностью формирования компенсирующего напряжения в соответствии с векторным выражением:
,
где $${\overline{e}}_k$$ - компенсирующее напряжение;
U₀ - номинальное значение испытательного напряжения;
U_n - текущее значение выходного напряжения;
$${\overline{i}}_n$$ - выходной ток;
k_u, k_i - коэффициенты регулирования второго преобразователя по напряжению и току соответственно.