МАЧТОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ-КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ И АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2019 года по МПК H02J13/00 

Изобретение относится к электрическим сетям и предназначено для повышения надежности функционирования линии электропередачи, а также качества электроэнергии, отпускаемой сельскохозяйственным потребителям и их безопасности.

Известна мачтовая электростанция резервного питания воздушной линии электропередачи (Патент №2412515 H02J 13/00. Опубликовано: 20.02.2011. Бюл. №5).

В известной мачтовой трансформаторной подстанции, содержащей преобразователь энергии, установленный на АП-образной опоре и присоединяемый к воздушной линии электропередач (ВЛЭП) через управляемый рычажным приводом разъединитель и предохранители, опора имеет виброустойчивое исполнение, преобразователь выполнен в виде газовой электростанции, а разъединитель оснащен электромагнитным приводом (ЭМП), обеспечивающим ему возможность подключения активизированной газовой электростанции параллельно ВЛЭП при условии нарушения ее централизованного питания, при этом ЭМП имеет дистанционное управление.

На АП-образной опоре виброзащищенного исполнения, на высоте, достаточной для предотвращения несанкционированного доступа, размещается автоматизированный агрегат, включающий в себя газовый двигатель внутреннего сгорания (ГДВС) и синхронный генератор (СГ). Подача газа к ГДВС осуществляется по газопроводу от магистральной газовой сети и регулируется клапаном. СГ подключен параллельно ВЛЭП через разъединитель и предохранители. Разъединитель и клапан имеют ЭМП, обеспечивающий им соответственно выключенное и закрытое положения при наличии централизованного питания ВЛЭП. В случае нарушения централизованного питания ВЛЭП ЭМП обеспечивает разъединителю и клапану соответственно включенное и открытое положения. Автоматизация агрегата обеспечивает автозапуск ГДВС при открытии клапана и прекращение его работы при его закрытии. Для оперативного управления ЭМП служит блок дистанционного управления.

Недостатком известной электростанции является то, что ее конструкция не позволяет использовать имеющийся в ней синхронный генератор в качестве компенсирующего устройства реактивной мощности, а применение разъединителя не позволяет осуществлять включение и отключение электростанции от сети под нагрузкой, а также ее автоматическую защиту от токов короткого замыкания и перегрузок. Применение синхронного генератора требует сложной системы синхронизации с сетью и системы регулирования напряжения и частоты генератора.

Известна другая мачтовая электростанция-компенсатор реактивной мощности воздушной линии электропередачи (Патент 2503115, МПК H02J 13/00, H02J 3/18. Опубликовано: 27.12.2013, Бюл. №36. Прототип).

Мачтовая электростанция-компенсатор реактивной мощности воздушной линии электропередачи, содержащая синхронный генератор, присоединяемый к воздушной линии электропередач через управляемый разъединитель, а также газовый двигатель внутреннего сгорания, установленные на АП-образной опоре виброустойчивого исполнения, а разъединитель выполнен с индивидуальным ручным приводом, электростанция снабжена устройствами управления и контроля параметров воздушной линии электропередачи, а также выключателем синхронного генератора, клапаном подачи газа и фрикционной муфтой сцепления, имеющими индивидуальные электромагнитные приводы, активизируемые устройством управления, причем фрикционная муфта сцепления связывает или разъединяет валы синхронного генератора и газового двигателя внутреннего сгорания.

Недостатком известной электростанции является то, что имеющийся в ней синхронный генератор в качестве компенсирующего устройства реактивной мощности потребляет при работе активную мощность пропорциональную потерям холостого хода синхронного двигателя. Применение синхронного генератора требует сложной системы синхронизации с сетью и системы регулирования напряжения и частоты генератора.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей энергии в часы пиковых нагрузок потребляемой мощности или при чрезвычайных ситуациях (обрыв или замыкание проводов ВЛЭП, авария на питающей трансформаторной подстанции) путем применения статических конденсаторов и резервного источника энергии с асинхронным двигателем-генератором оптимизированных к условиям электроснабжения сельской местности, таким как простота и надежность конструкции, бесперебойность и дешевизна вырабатываемой энергии, а также безопасность ее источника, исключающая возможность несанкционированного доступа к нему.

Технический результат изобретения достигается тем, что мачтовая электростанция - компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи, содержащая установленные на опоре виброустойчивого исполнения генератор, присоединяемый к воздушной линии электропередач через управляемый разъединитель с блоком контроля параметров воздушной линии, газовый двигатель внутреннего сгорания, устройства управления и контроля параметров воздушной линии электропередачи, выключатель генератора и клапан подачи газа, согласно изобретению, в качестве генератора использован асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором, а опора виброустойчивого исполнения выполнена П-образной и имеет дополнительный управляемый разъединитель для разделения воздушной линии электропередачи на первый и второй участки, между которыми расположен силовой блок, содержащий вакуумный контактор с электромагнитным приводом и конденсаторы косинусные параллельно соединенные с обмотками статора асинхронного двигателя-генератора, при этом первый и второй участки линии электропередач соединяются при нормальном режиме работы посредством замкнутых контактов вакуумного контактора, а при пиковых нагрузках через косинусные конденсаторы и обмотки статора асинхронного двигателя-генератора для последовательной компенсации реактивной и активной мощности, автоматически запущенном блоком управления электростанцией по сигналу блока контроля параметров напряжения газовом двигателе внутреннего сгорания, параллельное соединение косинусных конденсаторов и обмоток статора асинхронного двигателя-генератора к первому или второму участку сети, через первый или второй вакуумные разъединители-выключатели нагрузки возникает по сигналу оператора через блок дистанционного управления электростанцией для активации газового двигателя внутреннего сгорания и размыкания контактов вакуумного контактора.

Новизна заявляемого предложения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей в качестве генератора использован асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором, а опора виброустойчивого исполнения выполнена П-образной и имеет дополнительный управляемый разъединитель для разделения воздушной линии электропередачи на первый и второй участки, между которыми расположен силовой блок, содержащий вакуумный контактор с электромагнитным приводом и конденсаторы косинусные параллельно соединенные с обмотками статора асинхронного двигателя-генератора, при этом первый и второй участки линии электропередач соединяются при нормальном режиме работы посредством замкнутых контактов вакуумного контактора, а при пиковых нагрузках через косинусные конденсаторы и обмотки статора асинхронного двигателя-генератора для последовательной компенсации реактивной и активной мощности, автоматически запущенном блоком управления электростанцией по сигналу блока контроля параметров напряжения газовом двигателе внутреннего сгорания, параллельное соединение косинусных конденсаторов и обмоток статора асинхронного двигателя-генератора к первому или второму участку сети, через первый или второй вакуумные разъединители-выключатели нагрузки возникает по сигналу оператора через блок дистанционного управления электростанцией для активации газового двигателя внутреннего сгорания и размыкания контактов вакуумного контактора.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Макетный образец мачтовой электростанции-компенсатора реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи изготовлен и испытан в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского госагроуниверситета.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена конструкция мачтовой электростанции-компенсатора реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи; на фигуре 2 изображена структурная схема соединений элементов мачтовой электростанции-компенсатора.

Предлагаемая мачтовая электростанция-компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи содержит: воздушную линию электропередачи (ВЛЭП) с первым участком 1 и вторым участком 2, в разрыв которых устанолена П-образная опора 3, имеющая гасители вибрации 4, газовый двигатель внутреннего сгорания (ГДВС) 5, газовый клапан 6 с электромагнитным приводом, газопровод 7, асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором (АДГ) 8, вакуумный контактор 9 с электромагнитным приводом, первый 10 и второй 11 разъединитель-выключатель нагрузки вакуумный (РВНВ), муфта сопряжения 12 АДГ и ГДВС, блок управления электростанцией (БУЭ) 13, блок контроля параметров напряжения (БКПН) 14, 15, блок дистанционного управления электростанцией (БДУЭ) 16, конденсаторы косинусные 17, обмотки статора АДГ 18, контур заземления 19, в силовой блок 20 объединены вакуумный контактор 9, конденсаторы косинусные 17 и обмотки статора АДГ 18.

В качестве газового двигателя внутреннего сгорания 5 можно применять двигатели российского производства ЯМЗ, ТМЗ, КАМАЗ соответствующей мощности; асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором 8 серии А, ДАЗО: 10 кВ, мощностью 250, 315, 400, 630, 800 кВт (в соответствии с характеристикой ВЛЭП) при синхронной частоте вращения 1500 мин^-1. Контактор вакуумный 9 типа КВТ-10-4/400 выпускается в трехполюсном исполнении, каждый из полюсов имеет свою вакуумную камеру с номинальным током 400 или 630 А в зависимости от мощности воздушной линии.

Разъединитель-выключатель нагрузки вакуумный 10 и 11, может применяться типа РВНВ-10/630 УХЛ1, наружной установки. Они предназначены для выполнения коммутационных операций включения и отключения тока линий электропередачи напряжением 6-10 кВ, частотой 50 Гц, а также создания видимого разрыва и заземления отключенного участка встроенным заземлителем. РВНВ-10/630 УХЛ1 устанавливается на опорах линий электропередачи.

Для контроля режимов работы сети, автоматического управления и передачи данных телеметрии на диспетчерский пункт РВНВ-10 дополнительно комплектуется: электроприводом и шкафом управления с системой бесперебойного электропитания.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Возможны два режима работы: 1. Нормальный; 2. Аварийный.

Условно принимаем точку с первым участком 1 (А, В, С) приходящей линией. Точка со вторым участком 2 (A1, B1, С1) - отходящей линией.

В нормальном режиме работы сети (при нормативном потреблении активной и реактивной мощности) коммутационные аппараты находятся в исходном положении, показанном на фигурах 1 и 2: первый разъединитель-выключатель нагрузки вакуумный (РВНВ) 10 соединяет фазы первого участка 1: А, В, С через замкнутые контакты вакуумного контактора 9 и замкнутые контакты второго РВНВ 11 с контактами второго участка сети 2: A1, B1, С1. Мощность к нагрузке передается через замкнутые контакты вакуумного контактора 9. Блок контроля параметров напряжения (БКПН) 14, 15 фиксирует нормативные величины.

В периоды пиковых нагрузок потребление активной и реактивной мощности возрастает. В этом случае происходит снижение напряжения. Блоки контроля параметров напряжения (БКПН) 14, 15 подают сигнал на блок управления электростанцией (БУЭ) 13.

Блок управления электростанцией 13 подает сигнал на открытие газового клапана 6 с электромагнитным приводом. Одновременно подается сигнал на запуск газового двигателя внутреннего сгорания (ГДВС) 5 и на вакуумный контактор 9 с электромагнитным приводом.

ГДВС запускается своей системой автоматики, которая доводит частоту вращения вала до 1500 мин^-1 (синхронная частота вращения асинхронного двигателя-генератора с короткозамкнутым ротором 8. Одновременно вакуумный контактор 9 с электромагнитным приводом размыкает свои контакты шунтирующие конденсаторы косинусные 17, обмотки статора АДГ 18.

Конденсаторы косинусные 17 и обмотки статора АДГ 18 оказываются включенными последовательно с точкой 1 первого участка сети: А, В, С приходящей линией и точкой 2 второго участка сети: A1, B1, С1 - отходящей линией. Начинается процесс последовательной емкостной компенсации индуктивной реактивной составляющей нагрузки.

Синхронно с этим увеличиваются обороты ГДВС 5, и асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором 8 переходит в режим генераторного торможения с рекуперацией активной мощности в сеть. Это компенсирует пиковые нагрузки потребляемой активной мощности.

По мере снижения потребляемой мощности в сети, напряжение стабилизируется, и блок контроля параметров напряжения 14 и 15 фиксирует это. Сигнал от БКПН 14 и 15 поступает на БУЭ 13. Блок управления электростанцией 13 подает сигнал на закрытие газового клапана 6 с электромагнитным приводом и остановку ГДВС 5. Одновременно вакуумный контактор 9 с электромагнитным приводом замыкает свои контакты шунтирующие конденсаторы косинусные 17 и обмотки статора АДГ 18.

Мачтовая электростанция-компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи переходит нормальный режим работы.

2. Аварийный режим работы. При чрезвычайных ситуациях (обрыв или замыкание проводов ВЛЭП, авария на питающей трансформаторной подстанции) на одной, двух или на всех фазах А, В, С исчезает напряжение. Блок контроля параметров напряжения 14 и 15 фиксирует это, через БДУЭ 16 подает сигнал на диспетчерский пункт и подает блокирующий сигнал, запрещающий запуск газового двигателя внутреннего сгорания (ГДВС) 5. Этот сигнал может быть снят оператором через блок дистанционного управления электростанцией 16. Такую ситуацию отслеживают и анализируют операторы на диспетчерском пункте.

Например: обнаружено нарушение подачи напряжения на первом участке сети 1 (А, В, С). Оператор на диспетчерском пункте через блок дистанционного управления электростанцией (БДУЭ) 16 подает сигнал на первый разъединитель-выключатель нагрузки вакуумный 10, который отключает участок первой линии: А, В, С и соединяет конденсаторы 17 и обмотки 18 между собой и в «звезду». Одновременно вакуумный контактор 9 с электромагнитным приводом размыкает свои контакты шунтирующие конденсаторы косинусные 17 и обмотки статора АДГ 18. Таким образом, косинусные конденсаторы 17 и обмотки статора АДГ 18 через разъединитель-выключатель нагрузки вакуумный 11 соединяются параллельно ко второму участку сети 2: A1, B1, С1.

Оператор также подает сигнал на разблокировку БУЭ 13 и запуск ГДВС 5. После его запуска асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором 8 самовозбуждается от конденсаторов косинусных 17 и отдает энергию второму участку сети 2: A1, B1, С1.

Такой режим продолжается до устранения чрезвычайных ситуаций. После чего оператор через БДУЭ 16 дает команду на остановку ГДВС 5 и перевод схемы в нормальный режим работы.

Предлагаемая мачтовая электростанция-компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи в значительной степени повысит надежность электроснабжения сельской местности и безопасность сельскохозяйственных потребителей.

Достоинство предлагаемого технического решения заключается в следующем:

1. Посредством асинхронного двигателя-генератора с короткозамкнутым ротором (АДГ) 8 в качестве источника электрической энергии совместно с косинусными конденсаторами возможна последовательная и параллельная система компенсации реактивной составляющей нагрузки воздушной линии электропередачи. Причем в режиме последовательной компенсации в периоды пиковых нагрузок кроме емкостной компенсации происходит и производство активной мощности, которая дополнительно поступает в сеть.

2. При работе асинхронного двигателя параллельно с сетью он автоматически синхронизируется по частоте, и нет необходимости сложных схем для синхронизации в случае применения синхронных генераторов.

3. Существует возможность автоматического поддержания напряжения в нормальный режим работы и дистанционного управления при аварийных режимах работы при ЧС.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение надежности электроснабжения, а также качества электроэнергии, отпускаемой сельскохозяйственным потребителям и их безопасности. Мачтовая электростанция-компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи содержит установленные на опоре виброустойчивого исполнения генератор, присоединяемый к воздушной линии электропередач через управляемый разъединитель с блоком контроля параметров воздушной линии, газовый двигатель внутреннего сгорания, устройства управления и контроля параметров воздушной линии электропередачи, выключатель генератора и клапан подачи газа. В качестве генератора использован асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором, а опора виброустойчивого исполнения выполнена П-образной и имеет дополнительный управляемый разъединитель для разделения воздушной линии электропередачи на первый и второй участки, между которыми расположен силовой блок, содержащий вакуумный контактор с электромагнитным приводом и конденсаторы косинусные, параллельно соединенные с обмотками статора асинхронного двигателя-генератора. Первый и второй участки линии электропередач соединяются при нормальном режиме работы посредством замкнутых контактов вакуумного контактора, а при пиковых нагрузках через косинусные конденсаторы и обмотки статора асинхронного двигателя-генератора для последовательной компенсации реактивной и активной мощности при автоматически запущенном блоком управления электростанцией по сигналу блока контроля параметров напряжения газовом двигателе внутреннего сгорания. Параллельное соединение косинусных конденсаторов и обмоток статора асинхронного двигателя-генератора к первому или второму участку сети через первый или второй вакуумные разъединители-выключатели нагрузки возникает по сигналу оператора через блок дистанционного управления электростанцией для активации газового двигателя внутреннего сгорания и размыкания контактов вакуумного контактора. 2 ил.

Мачтовая электростанция-компенсатор реактивной и активной мощности воздушной линии электропередачи, содержащая установленные на опоре виброустойчивого исполнения генератор, присоединяемый к воздушной линии электропередач через управляемый разъединитель с блоком контроля параметров воздушной линии, газовый двигатель внутреннего сгорания, устройства управления и контроля параметров воздушной линии электропередачи, выключатель генератора и клапан подачи газа, отличающаяся тем, что в качестве генератора использован асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором, а опора виброустойчивого исполнения выполнена П-образной и имеет дополнительный управляемый разъединитель для разделения воздушной линии электропередачи на первый и второй участки, между которыми расположен силовой блок, содержащий вакуумный контактор с электромагнитным приводом и конденсаторы косинусные, параллельно соединенные с обмотками статора асинхронного двигателя-генератора, при этом первый и второй участки линии электропередач соединяются при нормальном режиме работы посредством замкнутых контактов вакуумного контактора, а при пиковых нагрузках через косинусные конденсаторы и обмотки статора асинхронного двигателя-генератора для последовательной компенсации реактивной и активной мощности при автоматически запущенном блоком управления электростанцией по сигналу блока контроля параметров напряжения газовом двигателе внутреннего сгорания, параллельное соединение косинусных конденсаторов и обмоток статора асинхронного двигателя-генератора к первому или второму участку сети через первый или второй вакуумные разъединители-выключатели нагрузки возникает по сигналу оператора через блок дистанционного управления электростанцией для активации газового двигателя внутреннего сгорания и размыкания контактов вакуумного контактора.