УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ УПРАВЛЯЕМЫЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2018 года по МПК H02H9/08 

Настоящее изобретение относится к устройству, содержащему управляемый заземляющий трансформатор, выполненный с возможностью компенсации остаточного рабочего тока в заземлении сети переменного тока, содержащей силовой трансформатор в соответствии с вводной частью пункта 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу создания напряжения нулевой точки в сети переменного тока посредством силового трансформатора в соответствии с вводной частью пункта 6 формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время передача электрической энергии главным образом осуществляется с помощью системы с трехфазным напряжением. Для выполнения основных требований к системе производство и потребление энергии в каждый момент времени должны быть сбалансированы - созданы крупные национальные сети передачи, к которым подключены все производители и потребители электрической энергии. При этом подключение национальных сетей передачи к транснациональным сетям передачи обеспечивает дополнительные преимущества в части основного требования. Одной из таких сетей передачи, например, является скандинавская сеть NORDEL.

Для снижения потерь при передаче в сетях передачи перенос энергии осуществляется при высоком напряжении, предпочтительно 400 кВ. Выдача энергии потребителям из сети передачи осуществляется через распределительные трансформаторы, каждый из которых, в свою очередь, снабжает ограниченный географический район. Распределение главным образом осуществляется при напряжении 10-30 кВ. Крупные промышленные потребители могут при этом быть связаны непосредственно с распределительной сетью, а менее крупные потребители и жилые дома снабжаются через еще одно преобразование до 400/230 В.

Ввиду своей сотовой структуры сеть передачи имеет высокую доступность. Однако слабым звеном системы передачи являются распределительные сети, имеющие структуру радиальной сети. Ошибки, возникающие в отдельной распределительной линии, могут приводить к отключению больших групп потребителей. Поэтому технология защиты от ошибок помогает улучшать доступность распределительных сетей.

В связи с этим, важно отметить, что большинство повреждений в электрической цепи возникает в результате пробоя изоляции между одной фазой и заземлением - так называемая ошибка заземления, когда передача активной мощности ограничена системой напряжений между фазами. С точки зрения защиты было бы целесообразно обрабатывать ошибки заземления по отдельности и по возможности ограничивать остаточный рабочий ток в такой степени, чтобы можно было избежать отсоединения линии.

Наиболее успешная концепция защиты основана на этом основном принципе, разработанном уже в 1917 г. Вальдемаром Петерсеном. Благодаря подключению нулевой точки трехфазной системы к заземлению через индуктивность, имеющую емкость согласованной цепи - так называемую катушку Петерсена остаточный рабочий ток может быть сокращен в десять-пятьдесят раз. Такое ограничение тока обычно является достаточным для обеспечения самопогасания однофазных дуг, которые составляют основную часть помех в сетях воздушных линий.

В настоящее время в скандинавских и других европейских распределительных сетях преобладает резонансное заземление Петерсена. Эти сети имеют общую доступность, которая превосходит другие сравнимые распределительные сети, в которых имеются альтернативные концепции заземления системы.

При осуществляющемся переводе распределительных сетей из воздушных сетей в подземные кабельные сети остаточные рабочие токи увеличиваются в 30-50 раз из-за более высокой емкости кабеля, которая двояко влияет на резонансное заземление Петерсена: с одной стороны, эффект самопогасания уменьшается в остальной воздушной линии при увеличении остаточного рабочего тока при полном прекращении в конечном итоге; а с другой стороны, эффект самопогасания совершенно не работает в кабельной сети ввиду небольшого расстояния между проводом под напряжением и заземлением (экраном). Таким образом, проблемой является некомпенсированный остаточный ток.

Эта проблема была обнаружена и решена в начале 90-х. Разработанное в то время устройство для компенсации остаточного тока используется в настоящее время в качестве дополнения к катушке Петерсена, однако оно применяется также в распределительных сетях, которые вплоть до настоящего времени проектировались на основе совершенно других концепций заземления.

В противоположность катушке Петерсена, которая увеличивает только импеданс источника питания в цепи заземления, компенсация остаточного тока подавляет возбуждающее напряжение в связи с замыканиями на землю путем наложения противодействующего напряжения. Это не совсем тривиальная задача, поскольку возбуждающее напряжение лишь отчасти известно изначально.

В соответствии с теоремой Тевенина-Гельмгольца, ток замыкания определяется возбуждающим напряжением в точке замыкания, импедансом замыкания и импедансом источника питания. И наоборот: для обеспечения полного подавления возбуждающего напряжения в точке замыкания необходимо, чтобы возбуждающее напряжение подавлялось в точке замыкания, в то время как импеданс замыкания неизвестен, а импеданс источника питания может лишь частично подвергаться влиянию посредством катушки Петерсена.

Возбуждающее напряжение в местоположении замыкания представлено фазным напряжением питающего распределительного трансформатора в фазе, которая искажается замыканием на землю (известным и измеримым соответствующим образом), плюс зависящим от тока нагрузки падением напряжения между питающим трансформатором и фактическим местоположением замыкания, которое может находиться на большом расстоянии в (неизвестной) сети.

Определение последнего стало возможным благодаря разработке новой методики измерения, которая была впервые опубликована в начале 90-х (см. Winter, K., "Swedish Distribution Net-works - А New Method for Earthfault Protection in Cable - and Overhead Systems", 5th International Conference on Power Sys-tem Protection. IEE conference publication No. 368, York/UK 1993).

Остающаяся проблема - генерирование противодействующего напряжения с возможностью регулирования амплитуды и фазного угла относительно фазного напряжения распределительного трансформатора - была решена с помощью силовой электроники (инвертора с широтно-импульсной модуляцией). В настоящее время имеются опорные станции для компенсации остаточного тока в электропитающих сетях с уровнями напряжения между 6 кВ и 110 кВ.

Потребляемая мощность для компенсации остаточного тока зависит от уровня напряжения, размера сети и закономерностей ослабления. В распределительных сетях густонаселенных районов мира емкостные заземляющие токи могут составлять свыше 1000 А при некомпенсированных остаточных рабочих токах порядка 100 А и более. Потребляемая мощность для компенсации остаточного рабочего тока в такой сети может составлять значительно больше 1000 кВА.

Инверторы с такими параметрами являются относительно дорогостоящими. В настоящем изобретении предлагается более простое устройство для полной компенсации остаточного рабочего тока с целью понижения стоимости и повышения надежности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанной проблемы и создание более простого устройства для компенсации остаточного рабочего тока. Еще одной задачей является полное подавление остаточного рабочего тока. Еще одной задачей является повышение надежности компенсационного устройства и посредством этого надежности передачи активной мощности. Еще одной целью является понижение расходов на компенсацию остаточного рабочего тока.

Эти задачи решаются с помощью устройства, определяемого в вводной части пункта 1 формулы изобретения, которое отличается тем, что первичная обмотка заземляющего трансформатора подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка заземляющего трансформатора подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а устройство содержит блок, выполненный с возможностью управления переключателями ответвлений для регулирования вторичных напряжений заземляющего трансформатора в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.

Преимущество изобретения состоит в том, что число разрывов линии уменьшается, либо они могут быть полностью исключены. При этом с помощью нового устройства улучшается доступность распределительной сети. Новое устройство может быть изготовлено с низкой стоимостью и является относительно простым для установки в существующих распределительных сетях.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, заземляющий трансформатор работает в трех фазах.

Устройство в соответствии с изобретением может использоваться в различных электропитающих сетях, содержащих одно- или трехфазную систему.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к заземляющему трансформатору с целью регулирования упомянутых вторичных напряжений между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.

Устройство в соответствии с изобретением может посредством этого использоваться вместе с известными контрольно-измерительными блоками для компенсации остаточного рабочего тока.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, контрольно-измерительный блок выполнен с возможностью выбора, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, контрольно-измерительный блок выполнен с возможностью регулирования вторичного напряжения заземляющего трансформатора до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока.

Устройство в соответствии с изобретением может посредством этого использоваться вместе с известными контрольно-измерительными блоками для полной компенсации остаточного рабочего тока.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, устройство выполнено с возможностью использования параллельно катушке Петерсена с целью подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.

Устройство в соответствии с изобретением может улучшать влияние существующего компенсационного устройства путем установки параллельно устройству с катушкой Петерсена.

Задачи также решаются с помощью способа, определяемого в вводной части пункта 6 формулы изобретения, который отличается использованием устройства, содержащего заземляющий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка которого подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а устройство содержит блок, выполненный с возможностью управления переключателями ответвлений, и регулированием вторичных напряжений заземляющего трансформатора в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.

Способ в соответствии с изобретением повышает надежность компенсационного устройства. Аналогичным образом улучшается доступность.

В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к заземляющему трансформатору с целью регулирования упомянутых вторичных напряжений между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.

Задачи также решаются с помощью способа создания напряжения нулевой точки в электропитающей сети переменного тока с помощью силового трансформатора, отличающегося устройством, содержащим заземляющий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка которого подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а блок выполнен с возможностью управления переключателями ответвлений, при этом упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к упомянутому заземляющему трансформатору для регулирования вторичного напряжения заземляющего трансформатора между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем

- контрольно-измерительный блок регулирует вторичное напряжение в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора,

- контрольно-измерительный блок решает, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, и

- контрольно-измерительный блок регулирует вторичное напряжение до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока.

В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, заземляющий трансформатор работает в трех фазах.

Задачи также решаются с помощью вышеописанного устройства для компенсации остаточного рабочего тока.

Задачи подобным образом решаются с помощью устройства в соответствии с приведенным выше описанием или способа в соответствии с приведенным выше описанием параллельно катушке Петерсена для подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 иллюстрирует однолинейную схему распределительной сети, содержащей известное устройство для компенсации остаточного рабочего тока.

Фиг. 2 иллюстрирует ту же распределительную сеть, содержащую устройство для компенсации остаточного рабочего тока в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 иллюстрирует векторную диаграмму возбуждающего напряжения в зависимости от местоположения ошибки заземления в распределительной сети.

Фиг. 4а, b иллюстрируют принципиальную схему и векторную диаграмму трансформатора в соответствии с изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют распределительную сеть с контрольно-измерительным блоком 2 для обнаружения ошибок заземления и управления компенсационным устройством. Кроме того, изображены питающий трансформатор 3, токоприемник 4 и ряд выходных распределительных линий L₁, L₂-L_N с соответствующим линейным выключателем 9 на токоприемнике 4.

Передача электрической энергии обычно осуществляется с помощью трехфазной системы, однако существуют также и одно- и двухфазные системы (движение поездов). Общим знаменателем в данном случае является то, что передача полезной энергии (потребителям) определяется исключительно напряжениями между фазами. Если возникает ошибка в виде пробоя изоляции между этими фазами, рассматриваемая линия разрывается, и потребители подключаются к ней через линейный выключатель 9.

Однако большинство коротких замыканий в электрической цепи возникает между отдельной фазой и заземлением (так называемые ошибки заземления). При этом вся система смещается относительно заземления. Тем не менее, напряжения между фазами - которые определяют полезную энергию - не подвергаются влиянию.

Ток ошибки в фактическом местоположении замыкания определяется другими токами в сети (главным образом, емкостными, но также и резистивными разрядными токами). Сумма этих разрядных токов на землю - включая ток в местоположении замыкания - всегда является нулевой (первое правило Кирхгофа для разветвленной цепи). Это следует из того, что ток в местоположении замыкания может быть только нулевым, если сумма всех остальных токов является нулевой.

Назначение компенсационного устройства на фиг. 1 и 2 состоит в создании этого равновесия путем создания соответствующего тока между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.

Фиг. 1 при этом иллюстрирует известное устройство для компенсации остаточного рабочего тока, состоящее из дросселя 5 нулевой точки с вспомогательной силовой обмоткой 6 и подключенного к нему инвертора 7 для компенсации остаточного рабочего тока. Изображено также одно резервное средство для отсоединения линии 8, например, в случае замыкания в компенсационном устройстве.

Фиг. 2 иллюстрирует устройство для компенсации всего остаточного рабочего тока с помощью управляемого заземляющего трансформатора 1 в соответствии с изобретением.

Контрольно-измерительный блок 2 постоянно измеряет полную проводимость Y0 нулевой последовательности на выходных линиях L_1-N и в заземлении компенсационного устройства Е. Последние результаты измерений сохраняются в памяти измерительного блока. Если обнаруживается ошибка заземления, измерение повторяется. После этого в линиях последовательно сравниваются значения Y0 до и после момента возникновения ошибки заземления.

Ошибка заземления существует в линии, которая демонстрирует отклонение ΔY0 от своего безошибочного измерения. Это отклонение используется для управления компенсационным устройством. На фиг. 1 это известное устройство с инвертором 7, а на фиг. 2 это управляемый заземляющий трансформатор 1 в соответствии с изобретением. В обоих случаях между нулевой точкой N электропитающей сети и заземлением Е создается напряжение U_EN.

Если напряжение U_EN соответствует возбуждающему напряжению в местоположении замыкания, отклонение ΔY0 и, следовательно, остаточный рабочий ток уменьшаются до нуля (теорема Тевенина-Гельмгольца).

Фиг. 3 иллюстрирует, как возбуждающее напряжение зависит от того, в какой фазе U_L1, U_L2 или U_L3 возникло замыкание, и от местоположения замыкания А, В или С в распределительной сети. Возбуждающее напряжение представлено фазным напряжением силового трансформатора (примером которого на фиг. 3 является фазное напряжение U_L1) и падением напряжения на линии (I_x х Z_x) между силовым трансформатором и местоположением замыкания. Падение напряжения на линии, в свою очередь, определяется собственным импедансом Z_x линии и токовой нагрузкой I_x, которая, как правило, во всех фазах имеет одинаковую амплитуду.

Как показано на фиг. 3, компенсационное устройство - с целью подавления возбуждающего напряжения в местоположении замыкания - должно создавать напряжение нулевой точки, которое может в достаточной степени регулироваться в отношении амплитуды и фазного угла относительно системы напряжений силового трансформатора.

Фиг. 4 иллюстрируют управляемый трехфазный заземляющий трансформатор 1 в соответствии с изобретением, который может создавать такое напряжение нулевой точки.

У трансформатора 1 имеются два переключателя 10а, 10b ответвлений, с помощью которых три вторичных напряжения могут регулироваться в отношении амплитуды и фазного угла α относительно системы напряжений питающего силового трансформатора 3. Трансформатор может иметь три, четыре или более переключателей ответвлений. При использовании контрольно-измерительного блока 2 в случае замыкания на землю контрольно-измерительный блок 2 выбирает, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой заземляющего трансформатора и заземлением. После этого вторичное напряжение трансформатора регулируется до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока (ΔY0=0).

Фиг. 4b иллюстрирует векторную диаграмму для заземляющего трансформатора на фиг. 4а. Соединенная треугольником первичная обмотка создает три напряжения, сдвинутые на 120° относительно друг друга в девяти вторичных обмотках. Благодаря последовательному соединению через два трехфазных находящихся под нагрузкой переключателя ответвлений каждая из трех вторичных обмоток 11, 12 и 13 может быть соединена друг с другом таким образом, что создаются три результирующих напряжения, которые, в свою очередь, могут регулироваться в отношении амплитуды и фазы относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.

Устройство может использоваться для полной компенсации всего остаточного рабочего тока. В соответствии с другим вариантом, устройство может также предпочтительно использоваться исключительно для компенсации остаточного тока в сетях с существующим заземлением с катушкой Петерсена.

Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, приведенными на чертежах, а может быть изменено в пределах объема формулы изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат – полное подавление остаточного рабочего тока и повышение надежности работы компенсационного устройства. Устройство компенсации остаточного рабочего тока содержит управляемый заземляющий трансформатор (1), выполненный с возможностью компенсации остаточного рабочего тока в заземлении сети переменного тока, содержащей силовой трансформатор (3). Первичная сторона заземляющего трансформатора (1) подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная сторона заземляющего трансформатора (1) подключена между нулевой точкой (N) электропитающей сети и заземлением (Е), причем заземляющий трансформатор (1) содержит два или более переключателей ответвлений трехфазного типа (10а, 10b), первичная сторона заземляющего трансформатора (1) соединена треугольником, а вторичная сторона заземляющего трансформатора (1) содержит упомянутые переключатели ответвлений (10a, 10b), которые выполнены с возможностью соединения обмоток (11, 12, 13) вторичной стороны таким образом, что возникают три результирующих вторичных напряжения, которыми, в свою очередь, посредством блока (2), входящего в состав устройства, можно управлять в отношении амплитуды и фазового угла (α) относительно системы напряжений силового трансформатора (3). 6 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство компенсации остаточного рабочего тока, содержащее управляемый заземляющий трансформатор (1), выполненный с возможностью компенсации остаточного рабочего тока в заземлении сети переменного тока, содержащей силовой трансформатор (3), отличающееся тем, что

первичная сторона заземляющего трансформатора (1) подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная сторона заземляющего трансформатора (1) подключена между нулевой точкой (N) электропитающей сети и заземлением (Е), причем заземляющий трансформатор (1) содержит два или более переключателей ответвлений трехфазного типа (11-12, 12-13),

первичная сторона заземляющего трансформатора (1) соединена треугольником, а

вторичная сторона заземляющего трансформатора (1) содержит упомянутые переключатели ответвлений (11-12, 12-13), которые выполнены с возможностью соединения обмоток (11, 12, 13) вторичной стороны таким образом, что возникают три результирующих вторичных напряжения, которыми, в свою очередь, посредством блока (2), входящего в состав устройства, можно управлять в отношении амплитуды и фазового угла (α) относительно системы напряжений силового трансформатора (3).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок (2), подключенный к заземляющему трансформатору (1) с целью управления упомянутыми вторичными напряжениями между нулевой точкой (N) электропитающей сети и заземлением (Е).

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что контрольно-измерительный блок (2) выполнен с возможностью принятия решения, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой (N) электропитающей сети и заземлением (Е).

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что контрольно-измерительный блок (2) выполнен с возможностью управления вторичным напряжением заземляющего трансформатора (1) до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока.

5. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью использования параллельно катушке Петерсена с целью подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.

6. Способ создания напряжения нулевой точки в сети переменного тока с помощью заземляющего трансформатора (1), отличающийся

подключением первичной стороны заземляющего трансформатора (1) к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью,

подключением вторичной стороны заземляющего трансформатора (1) между нулевой точкой (N) электропитающей сети и заземлением (Е), причем заземляющий трансформатор (1) содержит два или более переключателей (11-12, 12-13) ответвлений трехфазного типа, первичная сторона заземляющего трансформатора (1) соединена треугольником, а вторичная сторона заземляющего трансформатора (1) содержит упомянутые переключатели (11-12, 12-13) ответвлений, которые выполнены с возможностью соединения обмоток (11, 12, 13) на вторичной стороне, и

управлением вторичными напряжениями заземляющего трансформатора (1) в отношении амплитуды и фазового угла (α) относительно системы напряжений силового трансформатора (3) путем соединения обмоток (11, 12, 13) на вторичной стороне заземляющего трансформатора (1) через упомянутые переключатели (11-12, 12-13) ответвлений таким образом, что возникают три результирующих вторичных напряжения.

7. Применение устройства по любому из пп. 1-5 для компенсации остаточного рабочего тока.

8. Применение способа по п. 6 для компенсации остаточного рабочего тока.

9. Применение устройства по любому из пп. 1-5 параллельно катушке Петерсена для подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.

10. Применение способа по п. 6 для подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.