УСТРОЙСТВО ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ДЛЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2019 года по МПК H02M5/00 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для регулирования реактивного сопротивления, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП) с целью управления потоками мощности, передаваемыми по ЛЭП.

Известно устройство продольной компенсации, включаемое последовательно в линию электропередачи, состоящее из параллельного соединения конденсатора и реактора (Рыжов Ю.П. «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» М. Издательский дом МЭИ, 2007, 488 стр. , рис. 9.12, стр. 314). Формирование требуемой величины эквивалентного реактивного сопротивления параллельного колебательного контура, состоящего из параллельного соединения конденсатора и реактора, на частоте питающей сети осуществляется в нем за счет подбора величины индуктивности реактора. Основными недостатками такого построения устройства продольной компенсации являются существенная зависимость КПД устройства от добротности контура, сильная зависимость эквивалентного реактивного сопротивления от разброса параметров элементов контура из-за резонансной зависимости эквивалентного сопротивления контура от параметров его элементов, а также повышенные массогабаритные показатели устройства в виду того, что эквивалентная реактивная мощность, накапливаемая в контуре, определяется разностью реактивных мощностей, накапливаемых отдельно в конденсаторе и реакторе.

Известно устройство продольной компенсации, использующее трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, а к первичной обмотке трансформатора подключен реактивный элемент Хр (Рыжов Ю.П. «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» М. Издательский дом МЭИ, 2007, 488 стр., рис. 9.13, стр. 316). При фиксированном значении реактивного сопротивления Х_р реактивного элемента, подключенного к первичной обмотке трансформатора, трансформатор используется для увеличения реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи: Х=Х_р/K², где К - коэффициент трансформации трансформатора, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке трансформатора (К=U₂/U₁). Отметим, что для увеличения величины реактивного сопротивления X, вводимого в линию электропередачи, по отношению к реактивному сопротивлению Хр, подключенному к первичной обмотке трансформатора, коэффициент трансформации К должен иметь значения меньше 1. Обеспечение необходимой величины реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи, осуществляется за счет подбора коэффициента трансформации трансформатора. Следует подчеркнуть, что, как в случае аналога, так и прототипа, введение с помощью устройства продольной компенсации дополнительного реактивного элемента в ЛЭП практически не влияет на величину тока, протекающего в ЛЭП, а лишь добавляет в ЛЭП реактивный элемент, способный, в зависимости от характера реактивного элемента, накапливать реактивную мощность индуктивного или емкостного характера. При этом, в схеме прототипа установленная мощность трансформатора всегда равна мощности, накапливаемой в реактивном элементе. Недостатками прототипа являются высокие массогабаритные показатели устройства, высокая чувствительность величины реактивного сопротивления, вводимого в ЛЭП, к изменению параметров элементов схемы устройства продольной компенсации (коэффициента трансформации К и величины реактивного сопротивления, подключенного к первичной обмотке трансформатора - Х_р). Высокие массогабаритные показатели устройства продольной компенсации вытекают из того факта, что в схеме прототипа установленная мощность трансформатора всегда равна установленной мощности реактивного элемента, и суммарная установленная мощность электромагнитных элементов устройства продольной компенсации, построенного по схеме прототипа, всегда равна удвоенной реактивной мощности, вводимой в линию электропередачи. Высокая чувствительность реактивного сопротивления к изменению параметров элементов схемы прототипа определяется зависимостью реактивного сопротивления, вводимого в ЛЭП Х=Х_p/K². Поскольку коэффициент трансформации трансформатора подбирается из диапазона от 0 до 1, то любой разброс параметров как коэффициента трансформации, так и Х_р будут существенно влиять на изменение величины X.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение является снижение чувствительности величины реактивного сопротивления устройства к разбросу его параметров, уменьшение его массогабаритных показателей и стоимости, а также расширение областей его применения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве продольной компенсации для линий электропередачи, состоящем из реактивного элемента и трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, параллельно вторичной обмотке трансформатора включена ветвь, состоящая из последовательного соединения первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема построения устройства продольной компенсации при соединении однозначных концов первичной и вторичной обмотки входящего в его состав трансформатора в одной точке. На фиг. 2 изображена схема построения устройства продольной компенсации при соединении разнозначных концов первичной и вторичной обмоток трансформатора в одной точке. На фиг. 3 приведены зависимости реактивного сопротивления, вводимого устройствами продольной компенсации в линию электропередачи, от коэффициента трансформации трансформатора, в схеме прототипа и схемах, приведенных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 приведены зависимости относительной установленной мощности трансформатора (по отношению к мощности входящего в состав устройства продольной компенсации реактивного элемента), от коэффициента трансформации трансформатора в устройствах продольной компенсации, построенных по схеме прототипа и приведенных на фиг. 1 и фиг. 2.

Устройство продольной компенсации, изображенное на фиг. 1 и фиг. 2, состоит из трансформатора 1 с первичной и вторичной обмотками, имеющими соответственно числа витков W1 и W2, и реактивного элемента 2, в качестве которого может выступать реактор или батарея конденсаторов. Ветвь, состоящая из последовательного соединения реактивного элемента 2 и первичной обмотки трансформатора 1, включена параллельно выходным зажимам вых. 1 и вых. 2 устройства продольной компенсации. Этими выходами устройство продольной компенсации включается последовательно в линию электропередачи. Параллельно выходным зажимам вых. 1 и вых. 2 устройства продольной компенсации включена первичная обмотка W1 трансформатора 1. При этом в случае реализации устройства по схеме фиг. 1 одни из одноименных зажимов обмоток W1 и W2 трансформатора 1 объединены в одной точке, а в случае реализации устройства по схеме фиг. 2 одни из разноименных зажимов обмоток W1 и W2 трансформатора 1 объединены в одной точке.

В случае реализации устройства по схеме фиг. 1 при его работе в установившемся режиме в цепи синусоидального тока при выбранных положительных направлениях напряжений и токов в ветвях справедливы следующие соотношения:

где I₁ - ток первичной обмотки W1 трансформатора 1, I₂ - ток вторичной обмотки W2 трансформатора 1, J - ток ЛЭП, U₁ - напряжение на первичной обмотке W1 трансформатора 1, U₂ - напряжение на вторичной обмотке W2 трансформатора 1, U_p - напряжение на реактивном элементе 2, Х_р - реактивное сопротивление реактивного элемента 2, Q_p - установленная реактивная мощность реактивного элемента 2, К - коэффициент трансформации трансформатора 1, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке W2 к напряжению на первичной обмотке W1, δ1 - отношение установленной мощности трансформатора 1 к установленной мощности реактивного элемента 2.

Как видно из приведенных соотношений, в зависимости от выбора коэффициента трансформации трансформатора 1, напряжение U₂ на выходных зажимах устройства продольной компенсации будет меняться в существенных пределах по отношению к реактивному сопротивлению Х_р реактивного элемента 2, стоящего последовательно с первичной обмоткой W1 трансформатора 1. Это и определяет изменение реактивного сопротивления устройства продольной компенсации. Зависимость реактивного сопротивления устройства продольной компенсации для схемы фиг. 1 определяется выражением:

или в относительных единицах

Таким образом, за счет выбора коэффициента трансформации трансформатора 1 в схеме фиг. 1 можно обеспечивать различные значения реактивных сопротивлений устройства продольной компенсации.

Отличие в схемотехнической реализации устройства продольной компенсации, изображенного на фиг. 2, заключается лишь в том, что в нем одни из разноименных зажимов первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора 1 соединены вместе. При работе схемы фиг. 2 в установившемся режиме в цепи синусоидального тока при выбранных положительных направлениях токов и напряжений в ветвях справедливы следующие соотношения:

где I₁ - ток первичной обмотки W1 трансформатора 1, I₂ - ток вторичной обмотки W2 трансформатора 1, J - ток ЛЭП, U₁ - напряжение на первичной обмотке W1 трансформатора 1, U₂ - напряжение на вторичной обмотке W2 трансформатора 1, U_p - напряжение на реактивном элементе 2, Х_р - реактивное сопротивление реактивного элемента 2, Q_p - установленная реактивная мощность реактивного элемента 2, К - коэффициент трансформации трансформатора 1, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке W2 к напряжению на первичной обмотке W1, δ2 - отношение установленной мощности трансформатора 1 к установленной мощности реактивного элемента 2.

Как видно из приведенных соотношений, в зависимости от выбора коэффициента трансформации К трансформатора 1, напряжение U₂ на выходных зажимах устройства продольной компенсации будет также меняться по отношению к реактивному сопротивлению Х_р реактивного элемента 2, стоящего последовательно с первичной обмоткой W1 трансформатора 1. Зависимость реактивного сопротивления устройства продольной компенсации для схемы фиг. 2 определяется выражением:

Или в относительных единицах

На фиг. 3 приведены зависимости реактивных сопротивлений устройств продольной компенсации от коэффициента трансформации K трансформатора 1 для схем их построения, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 3 также представлена зависимость реактивного сопротивления от коэффициента трансформации трансформатора 1 для устройства продольной компенсации по схеме прототипа, определяемая выражением:

или в относительных единицах

Представленные на фиг. 3 зависимости иллюстрируют следующие особенности работы схем:

1. В схеме прототипа в диапазоне изменения коэффициентов трансформации K трансформатора 1 от 0 до 1 относительное реактивное сопротивление y1 устройства продольной компенсации изменяется от бесконечности до 1, а абсолютное значение реактивного сопротивления устройства продольной компенсации - от бесконечности до величины реактивного сопротивления Х_р реактивного элемента 2, подключенного к первичной обмотке W1 трансформатора 1. Это и объясняет высокую чувствительность реактивного сопротивления к изменениям параметров элементов схемы устройства продольной компенсации.

2. Для схемы фиг. 1 относительное реактивное сопротивление у2 устройства продольной компенсации изменяется от бесконечности до 1 при изменении коэффициента трансформации K трансформатора 1 в диапазоне от 1 до бесконечности. Это и объясняет низкую чувствительность реактивного сопротивления устройства продольной компенсации к изменяющимся параметрам элементов его схемы;

3. Для схемы фиг. 2 изменение относительного реактивного сопротивления у3 устройства продольной компенсации от 1 до 0 происходит при изменении коэффициента трансформации К трансформатора 1 от бесконечности до 0. Это также обеспечивает низкую чувствительность реактивного сопротивления устройства продольной компенсации к изменению параметров элементов его схемы.

Важным показателем, определяющим массогабаритные показатели трансформатора 1 во всех схемах, является отношение его установленной мощности к мощности реактивного элемента 2. Как уже отмечалось ранее, в схеме прототипа эта относительная мощность трансформатора не зависела от коэффициента трансформации и всегда равна 1.

Для схем, приведенных на фиг. 1 и фиг. 2, эти относительные установленные мощности определяются соответственно выражениями:

На фиг. 4 приведены графические зависимости этих выражений от коэффициента трансформации K трансформатора 1.

Из представленных зависимостей следует:

1. Для схемы фиг. 1 уже при значениях коэффициента трансформации трансформатора превышающих 2, установленная мощность трансформатора 1 становится меньше, чем мощность реактивного элемента 2, что обеспечивает уменьшение весогабаритных и стоимостных показателей трансформатора 1 по сравнению со схемой прототипа;

2. Для схемы фиг. 2 установленная мощность трансформатора 1 меньше, чем мощность реактивного элемента 2 во всем диапазоне изменения коэффициентов трансформации K.

3. Таким образом, можно утверждать, что для схем фиг. 1 и фиг. 2 имеет место уменьшение установленной мощности трансформатора 1 по отношению к установленной мощности реактивного элемента 2.

Расширение областей применения предлагаемого технического решения связано с возможностью получения различных значений реактивного сопротивления устройства продольной компенсации при одном коэффициенте трансформации K трансформатора 1 за счет изменения ориентации подключения соответствующих концов первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора 1 к общей точке их соединения.

Таким образом, применение заявляемой схемы построения устройства продольной компенсации позволяет снизить чувствительность реактивного сопротивления к изменению параметров элементов схемы, уменьшить суммарную установленную мощность ее элементов и расширить области применения. Тем самым осуществление совокупности признаков заявляемого устройства обеспечивает достижение указанного технического результата вне зависимости от способа объединения одних из концов первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора 1.

Использование - в области электротехники. Технический результат - снижение чувствительности величины реактивного сопротивления устройства к разбросу его параметров, уменьшение массогабаритных показателей и стоимости, а также расширение областей применения устройства. В устройстве продольной компенсации для линий электропередачи, состоящем из реактивного элемента и трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, параллельно вторичной обмотке трансформатора включена ветвь, состоящая из последовательного соединения первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента. 4 ил.

Устройство продольной компенсации для линий электропередачи, состоящее из реактивного элемента и трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, отличающееся тем, что параллельно вторичной обмотке трансформатора включена ветвь, состоящая из последовательного соединения первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента.