УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕТОКАМИ АКТИВНОЙ, РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02M5/257 

Устройство относится к области электротехники, в частности к регулированию потоков активной, реактивной мощности и ограничению токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ.

Известен способ ограничения токов короткого замыкания (RU 2340028, МПК H01F 29/14, дата публикации 27.11.2008), при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор. К первому недостатку данного способа относится невозможность выполнять регулирование перетоков активной и реактивной мощности в режимах нагрузки, не сопровождающиеся короткими замыканиями. Вторым недостатком является отсутствие регулирования напряжения по величине и по фазе за устройством для исключения потери напряжения на устройстве в режимах нагрузки. Третий недостаток заключается в необходимости дополнительного источника подмагничивания - выпрямителя, который необходимо питать от сети собственных нужд подстанции или от обмоток реактора, создающий дополнительные потери мощности устройства в целом, имеющий сложности в выполнении, изготовлении и обслуживании.

Известно устройство (RU 2450420, МПК Н03С 3/00, дата публикации 10.05.2012), содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовой трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды, низковольтные выводы которой заземлены, высоковольтные выводы подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ФПУ. Вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде N гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к входным клеммам трехфазного высоковольтного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече. Концы каждой цепочки трехфазного высоковольтного коммутатора подключены к концам соответствующей первичной обмотки сериесного трансформатора. В каждой фазе трехфазного высоковольтного коммутатора N однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей выполнены на напряжение той секции, к которой они подключены. Первым недостатком указанного устройства является отсутствие плавного регулирования перетока мощности, так как переключение устройства происходит дискретно. Для выполнения возможности дискретных переключений устройства ФПУ требуется реализация в каждой фазе шунтового трансформатора большого количества обмоток, коммутируемых таким же большим количеством двунаправленных тиристорных мостов. Вторым недостатком является наличие сложностей управления ФПУ и задания алгоритма переключений полупроводниковых коммутаторов в связи с большим количеством ступеней регулирования, а также необходимости выполнения одновременных коммутаций нескольких вторичных обмоток одной фазы шунтового трансформатора. Указанная проблема приводит к тому, что для изменения угла регулирования ФПУ требуется изменять режим работы всех тиристорных мостов, причем переключения мостов не всегда возможны. Возможность переключения существует при определенном соотношении тока и напряжения для коммутации тиристорных ключей и выполняется только в течение некоторого временного интервала. Переключения тиристорных мостов вне пределов таких временных интервалов приведут к формированию контура протекания ударного тока короткого замыкания. Третьим недостатком является наличие режимом ФПУ, где наблюдается выход за допустимые пределы напряжения линии электропередач (как перенапряжения, так и провалы напряжения) и невозможность перехода из одного угла регулирования ФПУ в другой (переход ФПУ в режим неуправляемости) из-за того, что для всех мостов, подлежащих переключению, определяется пересечение интервалов коммутации и в полученный временной промежуток выполняется смена угла регулирования. В некоторых режимах этот переход невозможно выполнить, в том числе в связи с сильной зависимостью от коэффициента мощности (угла нагрузки), который в транзитной электрической сети может принимать значения cosφ=0,4…0,99. По этой причине при выполнении перехода из одного угла регулирования ФПУ в другой будем иметь перенапряжения в линии электропередач, в которую включен ФПУ, или переход ФПУ в режим неуправляемости. Четвертым недостатком является невозможность использования ФПУ для ограничения токов короткого замыкания в транзитной электрической сети. Пятым недостатком является наличие существенной взаимной магнитной связи по потокам рассеяния между вторичными обмотками устройства из-за большого количества обмоток шунтового трансформатора, что приводит к дополнительному увеличению переходного процесса. Шестым недостатком является переход ФПУ в установившийся несимметричный режим вследствие несовпадения во времени разрешенных интервалов безопасного переключения для тиристорных мостов по трем фазам. Такой режим возникает за счет того, что переключение первых двух фаз тиристорных коммутаторов ФПУ приводит к исчезновению разрешенных временных интервалов в третьей коммутируемой фазе. Указанные недостатки дополнительно приводят к снижению надежности самого ФПУ, сложности изготовления и увеличению стоимости устройства, снижению срока эксплуатации тиристоров, а также к пробоям тиристоров в стойках. Указанное устройство было выбрано в качестве прототипа.

Целью предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков, а также реализация в одном аппаратном устройстве функций управления перетоками активной и реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство комплексного управления перетоками активной, реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания содержит трансформатор, обмотки которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередач. Три управляемых трансформатора состоят из трех обмоток, связанных магнитной связью. Одни из обмоток подключены в рассечку контролируемых фаз линии электропередач и увеличивают, в режимах ограничения токов короткого замыкания, свое реактивное электрическое сопротивление при отсутствии воздействия на них магнитного потока двух других обмоток. Вторые обмотки подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на линейные напряжения фаз, отличных от контролируемых фаз, соответствующим управляемым трансформатором линии электропередач и составляют линейный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования активной мощности. Третьи обмотки подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на фазные напряжения соответствующих контролируемых фаз данным управляемым трансформатором и составляют фазный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования реактивной мощности.

В состав устройства комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания (далее - устройства) входят следующие элементы (Фиг. 1). Управляемые трансформаторы УТ₁, УТ₂, УТ₃, каждый, соответственно, состоящий из фазных обмоток 1, 4, 7, инжектирующих линейных обмоток 2, 5, 8 и инжектирующих фазных обмоток 3, 6, 9; трансформаторы связи Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ с соответствующими первичными обмотками 10, 12, 14, 16, 18, 20 и вторичными обмотками 11, 13, 15, 17, 19, 21; блоки тиристорных преобразователей БТ₁, БТ₂, БТ₃, БТ₄, БТ₅, БТ₆; измерительные трансформаторы тока ТТ₁, ТТ₂, ТТ₃, ТТ₄, ТТ₅, ТТ₆, ТТ₇, ТТ₈, ТТ₉; измерительные трансформаторы напряжения ТН₁, ТН₂, ТН₃, ТН₄, ТН₅, ТН₆; преобразователи сигнала измерительных трансформаторов напряжения П₁, П₄; преобразователи сигнала измерительных трансформаторов тока П₂, П₃; измерительно-логический блок ИЛБ; преобразователи сигналов тиристорных блоков ПС₁, ПС₂, ПС₃; входные контакты А, В, С; выходные контакты А′, В′, С′.

Устройство работает следующим образом (Фиг. 2). Устройство подключено в рассечку транзитной линии электропередач (ЛЭП), на которой необходимо ликвидировать возникающие токовые перегрузки в нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах электрической сети, а при коротких замыканиях ограничивать протекающие токи короткого замыкания до уровней отключающей способности коммутационных аппаратов в транзитных электрических сетях 35-220 кВ. При этом контакты А, В, С являются входными, к ним подключены соответствующие фазы рассеченной транзитной ЛЭП, контакты А′, В′, С′ являются выходными, к ним подключены соответствующие фазы продолжения транзитной ЛЭП. Входные концы фазных обмоток 1, 4, 7 управляемых трансформаторов УТ₁, УТ₂, УТ₃ подключены к входным контактам А, В, С, выходные концы подключены к выходным контактам А′, В′, С′ в соответствии с расположением фаз. Таким образом, данные обмотки замыкают собой электрической связью контакты А, В, С и А′, В′, С′ и по ним протекают соответствующие фазные токи. Значения этих токов измеряются измерительными трансформаторами тока ТТ₇, TT₈, ТТ₉. Также происходит измерение напряжения на выходе устройства измерительными трансформаторами напряжения ТН₄, ТН₅, ТН₆. Измеренные значения выходных токов и напряжений преобразуются преобразователями П₃, П₄ в сигналы, идущими далее на измерительно-логический блок ИЛБ, где анализируются. После анализа входящих сигналов ИЛБ формирует импульсы воздействия, подающиеся на блоки тиристоров БТ₁ - БТ₆ через преобразователи сигналов ПС₁ - ПС₃ соответственно, которые разделяют и формируют воздействующие импульсы раздельно на блоки тиристоров фазных и межфазных инжектирующих контуров. Получив соответствующий импульс управления блоки тиристоров БТ₁ - БТ₆ задают уровень протекания через них среднего и действующего значения токов, таким образом создавая на катушках 2, 3, 5, 6, 8, 9 соответствующие значения и направления векторов напряжения, которые создают соответствующий уровень и направление магнитных потоков, пронизывающих фазные обмотки 1, 4, 7. В результате этого происходит регулирование векторов напряжения ЛЭП как по величине, так и по фазе. Для использования тиристоров в БТ₁ - БТ₆ на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение, в связи с чем тиристорный ключ способен проводить электрический ток в обоих направлениях. В состав каждых из трех управляемых трансформаторов УТ₁, УТ₂, УТ₃ входят по две инжектирующие катушки. Для УТ₁ это катушка межфазного контура 2 и катушка фазного контура 3. Для УТ₂ это катушка межфазного контура 5 и катушка фазного контура 6. Для УТ₃ это катушка межфазного контура 8 и катушка фазного контура 9. При этом катушка 11, блок тиристоров БТ₁ и катушка 2 управляемого трансформатора УТ₁ фазы А создают межфазный контур управления, получающий энергию из трансформатора Т₁, катушка 10 которого подключена своими выводами на линейное напряжение двух других фаз, т.е. на фазы В и С. Аналогичное подключение через катушки 14 и 18 (на линейное напряжение двух других фаз, отличных от фазы, в которой происходит регулирование) имеют межфазные контуры управления фаз В и С, состоящие, соответственно, из элементов 15, БТ₃, 5 (для фазы В) и 19, БТ₅, 8 (для фазы С). Так как межфазное напряжение других фаз, отличных от фазного напряжения данной фазы, имеет сдвиг на 90 градусов (фиг. 3), то обмотка 11 задает на обмотке 2 напряжение, отличное от напряжения входной в устройство фазы А на величину 90 градусов по фазе, и по амплитуде, величину которой задает блок тиристоров БТ₁. Аналогичные процессы регулирования посредством межфазных контуров происходят в фазах В и С устройства. Катушка 13, блок тиристоров БТ₂ и катушка 3 управляемого трансформатора УТ₁ фазы А составляют фазный контур управления, получающий энергию из трансформатора Т₂, катушка 12 которого подключена своими выводами на фазное напряжение той фазы, в которой происходит регулирование, т.е. фазы А. Аналогичное подключение через катушки 16 и 20 имеют фазные контуры фаз В и С, состоящие, соответственно, из элементов 17, БТ₄, 6 и 21, БТ₆, 9. При изменениях среднего и действующего значений токов в контурах обмоток 2, 3, 5, 6, 8, 9 за счет регулирования момента подачи сигнала управления от ИЛБ на БТ₁, БТ₂, БТ₃, БТ₄, БТ₅, БТ₆ устройство позволяет регулировать инжектируемое напряжение 9U в ЛЭП по величине и по фазе, необходимое для регулирования активной и реактивной мощности ЛЭП, а при значительных изменениях тока в контурах обмоток 2, 3, 5, 6, 8, 9 приводящее к возрастанию результирующих магнитных потоков в магнитопроводах УТ₁, УТ₂, УТ₃ и существенному увеличению индуктивного сопротивления устройства, превышающего эффект от инжекции ΔU, позволяющее осуществить быстродействующее ограничение токов короткого замыкания в электрической сети. Регулирование тока в контурах обмоток 2 и 11,5 и 15,8 и 19 позволяет получить инжектируемый вектор напряжения ΔU₁ (Фиг. 3) в ЛЭП, меняющий фазу напряжения на угол δ, необходимый для регулирования активной мощности ЛЭП, это достигается за счет включения обмоток 10, 14, 18 трансформаторов Т₁, Т₃, Т₅ на линейное напряжение двух других фаз, отличных от фазы, в которую происходит инжекция ΔU₁. Регулирование тока в контурах обмоток 3 и 13,6 и 17, 9 и 21 позволяет получить инжектируемый вектор напряжения 9U₂ в ЛЭП, меняющий модуль напряжения ЛЭП, необходимый для регулирования реактивной мощности ЛЭП, это достигается за счет включения обмоток 12, 16, 20 трансформаторов Т₂, Т₄, Т₆ на фазное напряжение той же фазы, в которую происходит инжекция ΔU₂. Существенное увеличение индуктивного сопротивления устройства достигается путем форсировки подмагничивания магнитопровода УТ₁, УТ₂, УТ₃, управляя изменением среднего и действующего значений токов одновременно в тех контурах обмоток 2-11, 3-13, 5-15, 6-17, 8-19, 9-21 в фазах ЛЭП, где включены УТ₁, УТ₂, УТ₃, в которых произошло короткое замыкание, за счет регулирования момента подачи сигнала управления от ИЛБ на БТ₁, БТ₂, БТ₃, БТ₄, БТ₅, БТ₆. Среднее и действующее значения токов в контурах устройства регулируются за счет изменения момента подачи на тиристоры открывающих сигналов, то есть за счет изменения угла управления. При работе устройства значения углов управления тиристоров в блоках БТ₁, БТ₂, БТ₃, БТ₄, БТ₅, БТ₆ изменяются при помощи системы управления, формируемой сигналом от ИЛБ.

Технический результат работы устройства состоит в управлении потоками активной и реактивной мощности, а также ограничения тока короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ.

Изобретение относится к области электротехники. Устройство комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания, содержащее три управляемых трансформатора, состоящих из трех обмоток, связанных магнитной связью. Одни из обмоток подключены в рассечку контролируемых фаз линии электропередач. Вторые обмотки подключены на линейные напряжения фаз, отличных от контролируемых. Данные обмотки осуществляют инжектирование добавочного вектора напряжения, изменяя активную составляющую мощности в контролируемой фазе. Третьи обмотки подключены на фазные напряжения контролируемых фаз. Данные обмотки осуществляют инжектирование добавочного вектора напряжения, изменяя реактивную составляющую мощности в контролируемой фазе. Устройство осуществляет уменьшение токов короткого замыкания, увеличивая реактивное сопротивление обмоток, включенных в рассечку линии электропередач. Технический результат работы устройства состоит в управлении потоком мощности, а также ограничении тока короткого замыкания в транзитных сетях 35-220 кВ. 3 ил.

Устройство комплексного управления перетоками активной, реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания, содержащее трансформатор, обмотки которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередач, отличающееся тем, что три управляемых трансформатора, состоящих из трех обмоток, связанных магнитной связью, одни из которых подключены в рассечку контролируемых фаз линии электропередач и увеличивают, в режимах ограничения токов короткого замыкания, свое реактивное электрическое сопротивление при отсутствии воздействия на них магнитного потока двух других обмоток, вторые подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на линейные напряжения фаз, отличных от контролируемых фаз, соответствующим управляемым трансформатором линии электропередач и составляют линейный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования активной мощности, а третьи подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на фазные напряжения соответствующих контролируемых фаз данным управляемым трансформатором, и составляют фазный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования реактивной мощности.