СПОСОБ СИММЕТРИРОВАНИЯ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H02J3/00 

Изобретение относится к области электротехники и разработано для симметрирования фазных напряжений относительно земли в распределительных электрических сетях 6-35 кВ.

В электрических распределительных сетях среднего напряжения, эксплуатирующихся с резонансно заземленной нейтралью, возможны значительные смещения нейтрали, которые обусловлены высокой степенью естественной несимметрии фазных проводимостей на землю сетей с воздушными линиями и качеством (добротностью) изоляции, особенно характерных для сетей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Проблемой являются и неполнофазные режимы, при которых, вследствие обрыва фазы участка сети, несимметрия фазных напряжений может превысить допустимые значения. Смещение нейтрали оказывает отрицательное влияние на изоляцию сети и является фактором, способствующим возникновению однофазных замыканий на землю и аварий в электрической сети.

На практике, часто в сетях с малыми токами замыкания и преимущественно с воздушными линиями электропередачи напряжением 10 и 35 кВ, производят симметрирование фазных напряжений путем подключения к фазам сети с меньшей емкостью дополнительных конденсаторов с целью выравнивания фазных емкостей по величине. В качестве симметрирующих конденсаторов часто используют емкости линий ВЧ связи [1] или высоковольтные пленочные конденсаторы небольшой емкости, устанавливаемые, например, в ячейках трансформаторов напряжения.

Более безопасным способом является введение в нейтраль сети напряжения от вспомогательного источника, например, сети собственных нужд подстанций, посредством дополнительной обмотки дугогасящего реактора ДГР [2]. Пример, описанный в указанном патенте, используется для создания искусственной несимметрии с целью улучшения селективности автоматики управления ДГР, и при оснащении дополнительными элементами, оно может быть использовано и для выравнивания фазных напряжений.

Существуют способы выравнивания фазных напряжений путем установки в сети дополнительных трансформаторов, посредством которых ток небаланса (нулевой последовательности) перераспределяется по фазам сети и, тем самым, симметрирует фазные напряжения сети [3].

Недостатками способа с подключением емкостей к фазам сети и техническая реализация устройства по данному способу на практике являются: практическая невозможность адаптации к изменившимся параметрам сети вследствие изменения конфигурации сети; трудности в реализации, связанные с выделением ячейки для подключения дополнительных конденсаторов, с выбором упомянутых элементов; сложности в расчетах параметров этих конденсаторов.

Недостатками способа и устройства введения напряжения от вспомогательного источника являются: выбор источника с напряжением необходимыми амплитудно-фазовыми соотношениями; адаптация упомянутых характеристик к изменяемым параметрам контура нулевой последовательности (КНП) электрической сети.

Основным недостатком способа и устройства по [3] является громоздкость устройства и значительные затраты, связанные со стоимостью оборудования и обслуживания, а также наличие нулевого провода сети, который отсутствует в сетях с изолированной нейтралью.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа симметрирования фазных напряжений электрической сети и реализация технически упрощенного устройства симметрирования фазных напряжений электрической сети, улучшение эксплуатационных характеристик и расширение области применения.

Указанная в способе цель достигается тем, что в нейтраль сети, образованной нейтральным (нулевым) выводом присоединительного трансформатора - фильтра заземляющего (ФЗ), посредством вторичной обмотки дугогасящего реактора (Фиг. 1) или через вторичную обмотку дополнительного трансформатора, первичная обмотка которой соединена параллельно с рабочей обмоткой ДГР (Фиг. 2), предлагается ввести инвертированный по отношению к току вторичной обмотки ДГР, обусловленной несимметрией фазных напряжений, токовый сигнал. Причем, форма вводимого токового сигнала полностью идентична форме тока вторичной обмотки реактора, что позволяет решить задачу симметрирования в широкой полосе частот.

Реализация предлагаемого устройства предполагает подключение к вторичной обмотке ДГР (Фиг. 1) или к вторичной обмотке дополнительного, подключенного параллельно с ДГР посредством токоограничивающего элемента усилителя мощности, охваченного отрицательной обратной связью. При этом, с целью расширения полосы частот устройства, сигнал обратной связи на вход усилителя подается с точки соединения вывода вторичной обмотки реактора с выводом токоограничивающего элемента.

В другом варианте сигнал обратной связи снимается со второй, дополнительной, обмотки ДГР или включенного параллельно с ДГР дополнительного трансформатора.

Предлагаемое устройство, реализованное на современной элементной базе, с применением ключевых режимов управления силовыми элементами усилителя мощности с использованием вторичных обмоток ДГР для реализации указанной цели, позволяет снижать массогабаритные показатели оборудования и стоимость, применять пониженное рабочее напряжение для управления симметрией фазных напряжений.

Таким образом, предлагаемые способ симметрирования и техническое решение в виде устройства, реализованного в соответствии с указанными признаками и связями, существенно проще способов и устройств аналогичного назначения. Устройство имеет техническую новизну и улучшенные эксплуатационные характеристики, нечувствительно ко всем видам небалансов и может применяться как в воздушных, так и кабельных сетях, включая сети с комбинированным режимом заземления.

Предложенное техническое решение характеризуется новой ранее неизвестной совокупностью признаков и может быть признано изобретением.

На фигуре 1 основным шрифтом приведена схема устройства симметрирования фазных напряжений электрической сети с использованием сигнальной обмотки дугогасящего реактора, а штрих пунктиром - схема с цепью обратной связи, организованного посредством дополнительной вторичной обмотки реактора.

К распределительной электрической сети с соответствующими емкостями фаз относительно земли и сопротивлениями утечек, через нейтралеобразующий трансформатор - фильтр заземляющий ФЗ и разъединитель QR подключен дугогасящий реактор 1. На вторичной (сигнальной) обмотке реактора наводится напряжение, пропорциональное напряжению смещения нейтрали сети, обусловленного емкостью несимметрии ΔCA и параметрами КНП и числу витков W_сигн. К верхнему выводу обмотки W_сигн подключены цепь обратной связи 4 (ОС) и выход токоограничивающего элемента 3, между входом которого и ОС включен усилитель мощности 2. Усилитель включен таким образом, что на любое возмущение, возникающее на выводах сигнальной обмотки, создается уравновешивающий сигнал, противоположный по знаку и равный по значению. В результате, на выводах сигнальной обмотки, при любых возмущениях в нейтрали сети или наличии асимметрии фазных напряжений сохраняется нулевое напряжение. При этом падение напряжения на токоограничивающем элементе определяется величиной выходного тока усилителя мощности, противоположного по знаку (направлению) тока сигнальной обмотки и сопротивлением элемента.

На фигуре 2 основным шрифтом приведена схема устройства симметрирования фазных напряжений электрической сети с использованием вторичной обмотки трансформатора, подключенного параллельно с дугогасящим реактором, а штрих пунктиром - схема с цепью обратной связи, организованного посредством дополнительной вторичной обмотки трансформатора.

Принцип работы устройства, реализованного с использованием дополнительного трансформатора, аналогичен работе устройства, приведенного на фигуре 1.

В качестве токоограничивающего элемента 3 усилителя мощности 2 предпочтительно применить резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой -лампу накаливания или катушку с втягивающимся сердечником.

Предложенные способ и устройство симметрирования фазных напряжений распределительной электрической сети позволяют выравнивать фазные напряжения относительно земли в широком диапазоне частот, как в сетях с воздушными линиями, так и с кабельными, и смешанными линиями электропередачи.

Источники информации:

1. Вильгельм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. - М.: Госэнергоиздат, 1959, 416 с.

2. А.с. №1536476 (СССР). Устройство для определения знака расстройки компенсации тока замыкания на землю. / И.Н. Степанов, М.И. Петров. - Опубл. в БИ, 1990, №2.

3. А.с. №514390 (СССР). Устройство для симметрирования фазных напряжений m-фазной сети. / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, В.Т. Третьяк, Н.Р. Каплычный. Опубл. в БИ, 1976, №18.

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение несимметрии фазных напряжений сети относительно сети и повышение надежности электрооборудования. Устройство симметрирования фазных напряжений электрической сети включает подключенный к сети присоединительный трансформатор и дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом трансформатора и «землей». К вторичной обмотке реактора подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, причем выход усилителя соединен с вторичной обмоткой через токоограничивающее устройство, а сигнал обратной связи снимается со вторичной либо дополнительной обмотки дугогасящего реактора. Во втором варианте устройства параллельно выводам рабочей обмотки дугогасящего реактора подключена первичная обмотка дополнительного трансформатора, к выводам вторичных обмоток которого подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, причем выход усилителя соединен с вторичной обмоткой дополнительного трансформатора через токоограничивающее устройство, а сигнал обратной связи снимается с выводов вторичной обмотки дополнительного трансформатора. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство симметрирования фазных напряжений электрической сети, включающее подключенный к сети присоединительный трансформатор и дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом трансформатора и «землей», отличающееся тем, что к вторичной обмотке реактора подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, причем выход усилителя соединен с вторичной обмоткой через токоограничивающее устройство, а сигнал обратной связи снимается со вторичной либо дополнительной обмотки дугогасящего реактора.

2. Устройство симметрирования фазных напряжений электрической сети, включающее подключенный к сети присоединительный трансформатор и дугогасящий реактор, рабочая обмотка которого включена между нейтральным выводом трансформатора и «землей», отличающееся тем, что параллельно выводам рабочей обмотки дугогасящего реактора подключена первичная обмотка дополнительного трансформатора, к выводам вторичных обмоток которого подключен охваченный отрицательной обратной связью усилитель мощности, причем выход усилителя соединен с вторичной обмоткой дополнительного трансформатора через токоограничивающее устройство, а сигнал обратной связи снимается с выводов вторичной обмотки дополнительного трансформатора.