Устройство для уменьшения потерь 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.

Известны устройства и 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 такого решения являются: снижение надежности работы системы и качества поставляемой энергии при быстрых изменениях нагрузки, невозможность его применения при случайно изменяющейся нагрузке.

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 сравнительно небольшое отклонение от симметрии, например, в трехфазной системе нарушает их работоспособность.

Кроме того, устройство-прототип не может 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 Р1 и Р2 при (10Р1=Р2), по результатам измерения активной мощности, должно происходить при пороге 0,85 Р1, тогда при |Q|=|2⋅Р1|<<|Р1+Р2| трансформатор меньшей мощности будет работать в режиме не допустимой перегрузки, несмотря на относительно малые активную в 0,1 Р1 и реактивную Q=0,2⋅Р2 составляющие нагрузки, так как , но подключаться второй трансформатор не будет, пока активная составляющая меньше порогового уровня при пороге 0,85 P1.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого устройства, 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 за счет введения новых элементов и связей входов и выходов трансформаторов с источником электроэнергии, нагрузкой и выключателями следующим образом.

Устройство уменьшения 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, связанного вторым силовым входом с нагрузкой, отличается тем, что дополнительно введен блок преобразования тока, а блоки управления, входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки, входы i-го субблока управления соединены с выходом i-го субблока блока преобразователей тока, а выходы 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, второй силовой вход которого соединен 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 фазным выходом соединен через токовый вход i-го субблока блока преобразователей тока с i-й фазой нагрузки и вторым силовым входом i-го выходного выключателя.

Схема трехфазного устройства снижения потерь энергии при трансформации напряжения 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 - источник напряжения и нагрузка соответственно, субблоки 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 для трехфазного устройства, показанного на фиг. 1, 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-ой фазы трансформатора 2 через субблок 12 блока выключателей 4 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 от трансформатора 2 с заданными значениями порогового уровня по току. Если ток нагрузки 1-й фазы от трансформатора 2 увеличивается и становится больше первого порогового уровня, то сигналы от субблока 17 блока управления 5 сначала замыкают выключатель 9, а затем выключатель 12, входящий 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-ой фазы от трансформатора 2 убывает и становится меньше заданного значения второго 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 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.

Предложенное устройство по сравнению с прототипом позволяет 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 - повышение надежности, расширение диапазона рабочих напряжений и снижение потерь энергии при трансформации напряжения для различных по мощности, характеру и степени симметрии источников и нагрузок. Устройство содержит два трансформатора разной мощности, входной и выходной блоки выключателей, блок управления и блок преобразования тока. Вышеуказанные блоки управления, входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки. Входы i-го субблока управления соединены с выходом i-го субблока блока преобразователей тока, а выходы соединены с управляющими входами i-х субблоков входного и выходного выключателей, которые подключают каждую из i-х фаз трансформатора большей мощности к i-й фазе источника напряжения и нагрузке. Трансформатор меньшей мощности i-м фазным входом соединен с i-й фазой источника напряжения и первым силовым входом i-го субблока входного выключателя, а i-м фазным выходом соединен через токовый вход i-го субблока блока преобразователей тока с i-й фазой нагрузки и вторым силовым входом i-го субблока выходного выключателя, первый силовой вход которого связан с i-м фазным выходом трансформатора большей мощности, соединенного с i-м фазным входом со вторым силовым входом i-го субблока входного выключателя. 1 ил.

Устройство уменьшения 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, связанного вторым силовым входом с нагрузкой, отличающееся тем, что дополнительно введен блок преобразования тока, а блоки управления, входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки, входы i-го субблока управления соединены с выходом i-го субблока блока преобразователей тока, а выходы 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, второй силовой вход которого соединен 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 фазным выходом соединен через токовый вход i-го субблока блока преобразователей тока с i-й фазой нагрузки и вторым силовым входом i-го выходного выключателя.