Способ и устройство снижения потерь энергии при трансформации напряжения Российский патент 2017 года по МПК H02J3/46 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных установках с силовыми трансформаторами, источниках питания от сети переменного тока, в частности в трансформаторных подстанциях, работающих с большими изменениями нагрузки во времени, когда снижение потерь холостого хода имеет большое значение.

Известен способ уменьшения потерь энергии при трансформации напряжения в низковольтных сетях, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов в трансформаторных подстанциях (ТП) путем периодического отключения одного из трансформаторов (К.К. Волчков, В.А. Козлов. Эксплуатация сооружений городской электрической сети. - 2-е изд. перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отделение, 1979. С. 265-271).

Основными недостатками известного способа являются: снижение надежности работы системы и качества поставляемой энергии при быстрых изменениях нагрузки, невозможность его применения при случайно изменяющейся нагрузке.

Прототипом предложенного способа является способ (патент RU 2224344) снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов посредством управления моментом включения их на нагрузку, содержащей два трансформатора разной мощности, подключенные через силовые выключатели с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, отличающийся тем, что в процессе изменения режимов работы трансформаторов управление моментом включения трансформаторов на нагрузку осуществляется нечетким логическим контроллером, на который поступают сигналы тока с датчика мощности и дифференциатора, пропорциональные мощности нагрузки и ее производной и сигналы тока с датчиков положения контактов силовых выключателей с приводами и который формирует величины временных регулируемых задержек на срабатывание приводов силовых выключателей трансформаторов в зависимости от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов выключателей, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.

Прототипом предложенного устройства является устройство (патент RU 2224344) для снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции, содержащее два трансформатора разной мощности, подключенные через четыре силовых выключателя с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий ее к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит нечеткий логический контроллер, датчики положения контактов силовых выключателей с приводами и дифференциатор сигнала мощности, выходы которых соединены с входами нечеткого логического контроллера, выход датчика мощности подключен к входу нечеткого логического контроллера и к входу дифференциатора, а выходы нечеткого логического контроллера соединены с приводами силовых выключателей, при этом нечеткий логический контроллер формирует функциональную зависимость моментов срабатывания силовых выключателей с приводами от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов силовых выключателей с приводами, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.

Основным недостатком прототипа является низкая реальная эффективность и надежность. Это обусловлено необходимостью выполнения большого числа переключений на выходах и особенно на высоковольтных входах каждого из трансформаторов при одновременно больших значениях напряжений и токов, что практически ограничивает его широкое применение, в частности в сетях высокого напряжения. Стоимость выключателей для больших значений напряжений и токов больше стоимости трансформаторов, а их совокупная надежность меньше чем у трансформаторов.

Устройства, реализующие способ-прототип, принципиально не позволяют использовать параллельную работу обоих трансформаторов на общую нагрузку, а небольшое, сравнительно, отклонение от симметрии, например в трехфазной системе, нарушает их работоспособность.

Кроме того, способ и устройство прототипы не могут использоваться при значениях реактивной Q составляющей 10-20% полной мощности S нагрузки. Например, переключение нагрузки с трансформатора меньшей мощности на трансформатор большей мощности с допустимыми максимальными мощностями P1 и P2 при (10P1=P2) по результатам измерения активной мощности должно происходить при пороге 0,85 P1, тогда при |Q|=|2⋅P1|<<|P1+P2| трансформатор меньшей мощности будет работать в режиме недопустимой перегрузки, несмотря на относительно малые активную в 0,1 Р1 и реактивную Q=0,2⋅P2 составляющие нагрузки, так как , но подключаться второй трансформатор не будет, пока активная составляющая меньше порогового уровня пороге 0,85 Р1.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа, заключается в устранении отмеченных недостатков, в повышении надежности, расширении диапазона рабочих напряжений, в более широком диапазоне изменения характеристик источника напряжения и нагрузки по величине, характеру и отклонению от симметрии по сравнению с прототипом.

Требуемый технический результат обеспечивается следующим образом.

1. Способ снижения потерь энергии при трансформации напряжения в системе с двумя трансформаторами разной мощности, включенными в параллельные каналы между источником напряжения и нагрузкой, заключающийся в дискретном изменении режима работы трансформатора отключением и подключением входов и выходов трансформатора к источнику напряжения и нагрузке соответственно, отличающийся тем, что сравнивают ток потребляемый нагрузкой с заданным значением, если потребляемый ток становится меньше заданного значения, то отключают первыми выходы, а затем входы трансформатора большей мощности от нагрузки и источника напряжения соответственно, а ток на нагрузку получают от трансформатора меньшей мощности, если потребляемый ток становится больше или равен заданному значению, то подключают сначала входы, а затем выходы трансформатора большей мощности к источнику напряжения и нагрузке соответственно, а ток на нагрузку получают от обоих трансформаторов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают ток, потребляемый нагрузкой с заданным значением для каждой i-й фазы отдельно, если потребляемый нагрузкой ток i-й фазы становится меньше заданного значения, то для i-й фазы отключают первыми выходы, а затем входы трансформатора большей мощности от нагрузки и источника напряжения соответственно, а ток для i-й фазы на нагрузку получают от i-й фазы трансформатора меньшей мощности, если потребляемый нагрузкой ток i-й фазы становится больше или равен заданному значению, то подключают сначала входы, а затем выходы трансформатора большей мощности к источнику напряжения и нагрузке соответственно, относящиеся только к i-й фазе, ток для i-й фазы на нагрузку получают от i-х фаз обоих трансформаторов.

Заявляемый способ осуществляется заявляемым устройством. Требуемый технический результат обеспечивается за счет введения новых элементов и связей входов и выходов трансформаторов с источником электроэнергии, нагрузкой и выключателями следующим образом.

3. Устройство снижения потерь энергии при трансформации напряжения, содержащее два трансформатора разной мощности, входной и выходной блоки выключателей, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блоков выключателей, первый и второй силовые входы входного блока выключателей соединены соответственно с источником напряжения и входом трансформатора, с выходом которого соединен первый силовой вход выходного блока выключателей, отличающееся тем, что дополнительно введен блок преобразования тока, выход которого соединен с входом блока управления, а токовый вход подключен последовательно с одной стороны со вторым силовым входом выходного блока выключателей, а с другой стороны с нагрузкой, трансформатор меньшей мощности входом соединен с источником напряжения и первым силовым входом входного блока выключателей, а выходом с токовым входом блока преобразования тока и со вторым силовым входом выходного блока выключателей.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что дополнительно блоки управления входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки, выходы i-го субблока управления соединены с управляющими входами i-х субблоков входного и выходного выключателей, первый и второй силовые входы i-го субблока входного блока выключателей соединены соответственно с i-й фазой источника напряжения и i-м фазным входом трансформатора, с i-м фазным выходом которого соединен первый силовой вход i-го выходного выключателя, токовый вход i-го субблока преобразования тока соединен последовательно с одной стороны с вторым силовым входом i-го выходного выключателя, а с другой стороны с i-й фазой нагрузки, второй трансформатор i-м фазным входом соединен с i-й фазой источника напряжения и первым силовым входом i-го входного выключателя, а i-м выходом соединен с токовым входом i-го преобразователя тока и с вторым силовым входом i-го выходного выключателя.

Схема устройства снижения потерь энергии при трансформации напряжения, реализующего способ, приведена на фигуре 1, где введены следующие обозначения: 1, 2 - трансформаторы меньшей и большей мощности (в общем случае многофазные), 3 и 4 - входной и выходной блоки выключателей, 5 - блок управления, 6 - блок преобразователей тока, 7 и 8 - многофазные источник напряжения и нагрузка соответственно.

На фигуре 2 приведена схема трехфазного устройства, реализующего способ (поясняющая п. 2 и п. 4 формулы изобретения), где дополнительно к указанному для фиг. 1 введены следующие обозначения субблоков 9-11 и 12-14, 15-17, 18-20 соответственно в составе блоков входных и выходных выключателей 3 и 4, управления 5, преобразователей тока 6, из которых для каждой i-й фазы образуется i-я система управления выключателями.

Принцип действия устройства (фиг. 1) следующий. Блок управления 5 сравнивает сигнал от блока 6 преобразователей тока, потребляемого нагрузкой 8, с заданным значением порогового уровня по току. Если ток нагрузки 8 увеличивается и становится равным или больше порогового уровня, то сигналы от блока управления 5 сначала замыкают выключатели входного 3, а затем выключатели выходного блоков 4. Поэтому при указанном условии ток на нагрузку 8 будет поступать от обоих трансформаторов 1 и 2.

Если ток через нагрузку убывает, например, из-за увеличения сопротивления нагрузки 8 и становится меньше заданного значения порогового уровня по току, то сигналы от блока управления 5 сначала размыкают выключатели выходного 4, а затем выключатели входного 3 блоков, в результате ток через нагрузку в блоке 8 будет протекать только от трансформатора 1.

Так как справедливы неравенства z₁<<Z_н и z₂<<Z_н, где Z_н - сопротивление нагрузки и z₁, z₂ - приведенные выходные сопротивления трансформаторов 1 и 2, то напряжение на нагрузке 8 значимо не меняется при изменении режима работы трансформаторов 1 и 2 из-за переключения выключателей в блоках 3 и 4. Однако потери холостого хода при малых нагрузках уменьшатся за счет того, что объем сердечника трансформатора 1 меньше, чем объем сердечника более мощного трансформатора 2, который отключается при малых нагрузках. Таким образом, при большой нагрузке, например от 20 до 100% максимальной мощности, включены оба трансформатора 1 и 2, а при нагрузке менее 20% основная часть энергии на нагрузку передается только через трансформатор 1, для которого такая нагрузка близка к номинальному значению.

В случае многофазной системы естественно, что источник напряжения 8, нагрузка 5, трансформаторы 1, 2 также являются многофазными и количество их входов и выходов соответствует числу фаз. С целью повышения надежности устройства при различной асимметрии, оно реализуется согласно п. 1-п. 4 формулы изобретения.

Принцип действия для трехфазного устройства, показанного на фиг. 2, следующий.

Напряжение 1-й фазы от источника 7 поступает через субблок 9 блока выключателей 3 на вход 1-й фазы трансформатора 2 и непосредственно на вход 1-й фазы трансформатора 1, выходной ток 1-й фазы которого через субблок 18 блока преобразователей тока 6 поступает на нагрузку 1-й фазы в блоке 8. Выходной ток 1-й фазы трансформатора 2 через субблок 12 блока выключателей 4 и через субблок 18 блока преобразователей тока 6 также поступает на нагрузку 1-й фазы в блоке 8. Субблок 17 в составе блока управления 5 сравнивает сигнал от субблока 18, соответствующий току нагрузки 1-й фазы с заданным значением порогового уровня по току. Если ток нагрузки 1-й фазы увеличивается и становится равным или больше порогового уровня, то сигналы от субблока 17 блока управления 5 сначала замыкают выключатель 9, а затем выключатель 12, входящие в состав входного и выходного блоков 3 и 4. Поэтому при указанном условии ток на нагрузку 1-й фазы в блоке 8 будет поступать от обоих трансформаторов 1 и 2.

Если ток через нагрузку 1-й фазы убывает и становится меньше заданного значения порогового уровня по току, то сигналы от субблока 17 блока преобразователей 5, размыкают сначала выключатели 12 в составе выходного блока 4, а затем 9 в составе входного блока 3, в результате ток через нагрузку 1-й фазы в блоке 8 будет протекать только от трансформатора 1. Подобным образом происходит установление режимов работы трансформаторов 1 и 2 по всем фазам.

В основе блока преобразователей тока 6 может использоваться типовой преобразователь тока с одним или несколькими с гальванически разделенными входами и цифровым или аналоговым выходом, например по действующему значению. Блок управления 5 может быть выполнен, как и для прототипа, на основе контроллера либо на основе нескольких типовых логических схем и пороговых элементов с заданными порогами срабатывания. Выключатели в цепи высокого напряжения работают в режиме почти нулевого тока при замыкании и размыкании, что существенно повышает надежность их работы и упрощает реализацию, позволяет расширить диапазон входных напряжений.

Предложенные способ и устройство по сравнению с прототипом позволяют расширить диапазон изменения реактивных составляющих нагрузки, в котором обеспечивается работоспособность, снизить требования к допустимой асимметрии многофазной системы, повысить надежность и упростить реализацию, так как требуется меньшее количество выключателей, особенно на высоковольтном входе.

Предпочтительной областью применения являются системы с трансформаторами, работающие с частыми и значительными изменениями нагрузки во времени, когда снижение потерь имеет большое значение.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности, расширении диапазона рабочих напряжений, снижении потерь энергии при трансформации напряжения для различных по мощности, характеру и степени симметрии источников и нагрузок. Способ заключается в том, что сравнивают ток, потребляемый нагрузкой с заданным значением, если потребляемый ток становится меньше заданного значения, то отключают первыми выходы, а затем входы трансформатора большей мощности от нагрузки и источника напряжения соответственно, а ток на нагрузку получают от трансформатора меньшей мощности, если потребляемый ток становится больше или равен заданному значению, то подключают сначала входы, а затем выходы трансформатора большей мощности к источнику напряжения и нагрузке соответственно. В устройстве для уменьшения потерь трансформации напряжения два трансформатора разной мощности включены в параллельные каналы между общими источником напряжения и нагрузкой, а входной и выходной блоки выключателей включены на входе и выходе трансформатора большей мощности, блок управления соединен с управляющими входами блоков выключателей и блоком преобразования тока, вход которого соединен последовательно с параллельными каналами передачи электроэнергии и нагрузкой. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ снижения потерь энергии при трансформации напряжения в системе с двумя трансформаторами разной мощности, включенными в параллельные каналы между источником напряжения и нагрузкой, заключающийся в дискретном изменении режима работы трансформатора отключением и подключением входов и выходов трансформатора к источнику напряжения и нагрузке соответственно, отличающийся тем, что сравнивают ток потребляемый нагрузкой с заданным значением, если потребляемый ток становится меньше заданного значения, то отключают первыми выходы, а затем входы трансформатора большей мощности от нагрузки и источника напряжения соответственно, а ток на нагрузку получают от трансформатора меньшей мощности, если потребляемый ток становится больше или равен заданному значению, то подключают сначала входы, а затем выходы трансформатора большей мощности к источнику напряжения и нагрузке соответственно, а ток на нагрузку получают от обоих трансформаторов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают ток, потребляемый нагрузкой с заданным значением для каждой i-й фазы отдельно, если потребляемый нагрузкой ток i-й фазы становится меньше заданного значения, то для i-й фазы отключают первыми выходы, а затем входы трансформатора большей мощности от нагрузки и источника напряжения соответственно, а ток для i-й фазы на нагрузку получают от i-й фазы трансформатора меньшей мощности, если потребляемый нагрузкой ток i-й фазы становится больше или равен заданному значению, то подключают сначала входы, а затем выходы трансформатора большей мощности к источнику напряжения и нагрузке соответственно, относящиеся только к i-й фазе, ток для i-й фазы на нагрузку получают от i-х фаз обоих трансформаторов.

3. Устройство снижения потерь энергии при трансформации напряжения, содержащее два трансформатора разной мощности, входной и выходной блоки выключателей, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блоков выключателей, первый и второй силовые входы входного блока выключателей соединены соответственно с источником напряжения и входом трансформатора, с выходом которого соединен первый силовой вход выходного блока выключателей, отличающееся тем, что дополнительно введен блок преобразования тока, выход которого соединен входом блока управления, а токовый вход подключен последовательно с одной стороны со вторым силовым входом выходного блока выключателей, а с другой стороны с нагрузкой, трансформатор меньшей мощности входом соединен с источником напряжения и первым силовым входом входного блока выключателей, а выходом с токовым входом блока преобразования тока и со вторым силовым входом выходного блока выключателей.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что дополнительно блоки управления входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки, выходы i-го субблока управления соединены с управляющими входами i-х субблоков входного и выходного выключателей, первый и второй силовые входы i-го субблока входного блока выключателей соединены соответственно с i-й фазой источника напряжения и i-м фазным входом трансформатора, с i-м фазным выходом которого соединен первый силовой вход i-го выходного выключателя, токовый вход i-го субблока преобразования тока соединен последовательно с одной стороны с вторым силовым входом i-го выходного выключателя, а с другой стороны с i-й фазой нагрузки, трансформатор меньшей мощности i-м фазным входом соединен с i-й фазой источника напряжения и первым силовым входом i-го входного выключателя, а i-м выходом соединен с токовым входом i-го преобразователя тока и с вторым силовым входом i-го выходного выключателя.