УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/18 G05F1/70 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам, обеспечивающим энергосбережение путем автоматической компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок.

Электрическая мощность переменного тока характеризуется фазовым соотношением между током и напряжением. Фаза тока, отстающая от фазы напряжения, возникает из-за преобладания индуктивных нагрузок, тогда как фаза тока, ведущая фазу напряжения, возникает из-за емкостных нагрузок. Синфазное соотношение напряжения и тока возможно или при чисто резистивных нагрузках или при балансе индуктивных и емкостных нагрузок. Обычно используемой мерой фазового соотношения между током и напряжением является коэффициент мощности, который равен косинусу фазового угла между ними или между активной мощностью и кажущейся мощностью. Коэффициент мощности максимизируется при значении единицы, то есть тогда, когда отсутствует сдвиг фаз между током напряжением в сети.

На практике обычно существует больше типов индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, трансформаторы, соединенные с линиями электропередачи, чем емкостных. В цепи, имеющей реактивные нагрузки, коэффициент мощности меньше единицы. Хотя реактивная мощность не потребляется как таковая в нагрузке, она доставляется в энергосистему и возвращается в генератор. Соответственно, линии электропередач должны пропускать больше тока, чем необходимо, чтобы обеспечить питание сети распределения электроэнергии, имеющей реактивные нагрузки. Дополнительный ток может привести к дополнительным реальным потерям мощности, вызванным потерями линий электропередач, и требует от генерирующего устройства увеличить мощность, что приводит к увеличению стоимости выработки электроэнергии.

Повышенная загрузка сетей реактивным током приводит также к понижению напряжения в сети, а резкие колебания реактивной мощности - к колебаниям напряжения в сети.

Существует много решений, известных в данной области техники для компенсации реактивной мощности в энергосистемах предприятий. При этом преимущественно для компенсации используются следующие средства: шунтирующие реакторы, статические тирристорные компенсаторы типа СТАТКОМ и компенсаторы выполненные с использованием батарей шунтирующих косинусных конденсаторов.

Из области техники известны устройство компенсации реактивной мощности [пат. РФ №2335056 от 27.09.2009, пат РФ №2392717 от 20.06.2010 г.], выполненные на базе перестраиваемых шунтирующих реакторов. Недостатком таких устройств является низкая технологичность большие габариты, а также низкая технологичность и низкая надежность эксплуатации.

Известны устройства автоматической компенсации реактивной мощности [пат. США №8154896 В2 от 04.10.2012, пат. РФ №2280934, H02J 3/18, от 27.07.2006], выполненные на базе управляемых тиристорно-реакторных групп с фильтрами высших гармоник (СТАТКОМ), в котором частично устранены указанные выше недостатки. Однако недостатком такого устройства является высокая стоимость, значительное потребление активной мощности и высокий уровень гармоник, источником которых является СТАТКОМ.

Наиболее перспективными в электросетях сетях напряжением до 0,4 кВ являются устройства автоматической компенсации реактивной мощности, выполненные на базе батарей коммутируемых косинусных конденсаторов.

Основными преимуществами использования батарей косинусных конденсаторов в устройствах энергосбережения являются небольшие, удельные потери активной мощности косинусных конденсаторов, отсутствие механически перемещаемых частей в процессе эксплуатации, простота монтажа и эксплуатации и относительная простота управления коммутацией.

Известны [пат. РФ №2229766 от 27.05.2004, пат. США №8519679 от 27.08.2013, пат. США №9335776 от 05.10.2016] устройства автоматической компенсации реактивной мощности выполненные на базе батарей коммутируемых косинусных конденсаторов, обладающие указанными выше достоинствами, однако они имеют недостаточно высокую точность компенсации и надежности функционирования.

Наиболее близким по технической сущности из известных является устройство автоматической компенсации реактивной мощности [пат. США №7002321 от 21.02.2006] содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к информационному входу регулятора реактивной мощности, модуль датчиков тока и напряжения сети, выход которого подключен к входу измерителя реактивной мощности, n косинусных конденсаторов, емкость которых выбирается из соотношения Ci+1=2Ci, где 1≤i≤n, первые выводы которых объединены и подключены к проводу нейтрали сети, первый контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, n коммутаторов первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам каждого из n косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу первого контактора. Достоинством данного устройства является потенциально высокая точность компенсации реактивной мощности, ограниченная только величиной емкости самой нижней ступени двоичной последовательности. Однако известное устройство имеет недостаточно высокую надежность функционирования, обусловленную возможными отказами отдельных косинусных конденсаторов, как в результате перегрузок по току и напряжению, вызванных, в том числе, наличием реактивных нагрузок, так и в результате старения конденсаторов.

Кроме того косинусные конденсаторы в установках компенсации реактивной мощности в совокупности с индуктивными нагрузками способны образовывать колебательные контуры с параметрами, близкими к возникновению резонанса на одной из частот высших гармоник. Это приводит к значительному увеличению тока, протекающего через конденсаторы, что, в свою очередь, приводит к перегреву, снижающему сопротивление диэлектрика и его пробою. Так же при перегреве, вследствие нагрева диэлектрической жидкости (минеральное масло или синтетический диэлектрик), наблюдается газообразование. Появление газа в герметичном корпусе конденсатора создает избыточное давление, которое может привести к вспучиванию корпуса конденсатора и даже его взрыву с повреждением других элементов устройства компенсации.

Из-за повышенного теплового воздействия снижается реальный срок службы косинусного конденсатора. Так из технических источников известно, что при средней температуре 40-45 градусов косинусного конденсатора повышение его температуры на 7 градусов снижает ожидаемый срок его службы вдвое.

При использовании в конденсаторах диэлектрика с восстановлением, в моменты электрических пробоев, на самом их месте испаряется металлическое напыление и удаляется с места пробоя. В результате образуется свободные от металлизации непроводящие зоны. Несмотря на то, что после локальных пробоев конденсатор восстанавливает свою работоспособность, это приводит, в конечном итоге, к уменьшению его емкости.

Технической задачей заявленного устройства является повышение эффективности энергосбережения путем улучшение качества электрической энергии за счет повышения надежности функционирования.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство автоматической компенсации реактивной мощности, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к информационному входу регулятора реактивной мощности, модуль датчиков тока и напряжения сети, выход которого подключен к входу измерителя реактивной мощности, n косинусных конденсаторов, емкость которых выбирается из соотношения Ci+1=2Ci, где 1≤i≤n, первые выводы которых объединены и подключены к проводу нейтрали сети, первый контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, n коммутаторов первые силовые выводы которых подключены к ко вторым выводам каждого из n косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу первого контактора, введены: модуль диагностики, соединенный информационной шиной с регулятором реактивной мощности, n датчиков температуры, n тензодатчиков и n датчиков тока, размещенные возле каждого из n косинусных конденсаторов, электрические выходы, которых подключены к соответствующим информационным входам модуля диагностики, m резервных косинусных конденсаторов, емкость которых выбирается из соотношения Cj+1=2Cj, где Cm=Cn/2, 1≤j≤m, первые выводы которых объединены и подключены к проводу нейтрали сети, второй контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, m дополнительных коммутаторов, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам каждого из m резервных косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу второго контактора, третий контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, n формирователей тестовых сигналов, выходы которых подключены к каждому из вторых выводов соответствующих из n косинусных конденсаторов, входы питания которых объединены и подключены ко второму силовому выводу третьего контактора, а управляющие входы которых подключены к соответствующим из управляющих выходов модуля диагностики, при этом соответствующие управляющие выходы регулятора реактивной мощности соединены с управляющими входами первого, второго и третьего контакторов, управляющими входами n коммутаторов и управляющими входами m дополнительных коммутаторов.

Технический результат заявленного устройства заключается в том, что обеспечивается постоянный контроль состояния косинусных конденсаторов в процессе функционирования устройства автоматической компенсации реактивной мощности и, в случае выявления выхода параметров конденсатора за заданные пределы, его отключение и оперативная замена на резервные конденсаторы с соответствующим номинальным значением емкости. После отключения конденсатора от сети проводится, его оперативная диагностика и оценка возможности дальнейшего использования в составе устройства автоматической компенсации реактивной мощности.

Изобретение поясняется чертежом, который не охватывает и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными, для обеспечения алгоритма функционирования отраженного в формуле и описании изобретения. Питание функциональных блоков осуществляется от источника бесперебойного питания, который на чертежах не показан.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства автоматической компенсации реактивной мощности.

Устройство автоматической компенсации реактивной мощности содержит: регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, модуль датчиков тока и напряжения сети 3, n косинусных конденсаторов 4, первый контактор 5, n коммутаторов 6, модуль диагностики 7, n датчиков температуры 8, n тензодатчиков 9, n датчиков тока 10, m резервных косинусных конденсаторов 11, второй контактор 12, m дополнительных коммутаторов 13, третий контактор 14, n формирователей тестовых сигналов 15. При этом первый, второй и третий контакторы 5, 12, 14 могут быть выполнены в виде силовых механических переключателей, коммутаторы 6i и дополнительные коммутаторы 13i реализованы на базе быстродействующих силовых тиристоров. Регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2 и модуль диагностики могут быть выполнены на базе современных цифровых котроллеров. Формирователь тестовых сигналов 15 в простейшем виде может быть выполнен в виде включаемого регулятора напряжения сети, но может содержать в своем составе, например, генераторы испытательных импульсных сигналов, параметры которых задаются модулем диагностики 7.

Устройство автоматической компенсации реактивной мощности работает следующим образом. При включении устройства, по сигналу с измерителя реактивной мощности 2, выработанному по информации с датчиков напряжения и тока 3, регулятором 1 формируется соответствующая управляющая команда на включение первого контактора 5, соответствующих из коммутаторов 6_i…n, подключающих соответствующие косинусные конденсаторы 4_i…n. При изменении параметров нагрузки в сети в процессе функционирования, на основании сигналов с измерителя реактивной мощности 2, регулятором реактивной мощности 1 обеспечивается формирование команд на подключение и отключение косинусных конденсаторов 4i…n, обеспечивая тем самым компенсацию реактивной мощности в сети. Информация о подключенных к сети косинусных конденсаторах 4i…n по информационной шине постоянно поступает на модуль диагностики. При этом с датчиков температуры 8_i…n, тензодатчиков 9_i…n, датчиков тока 10_i…n в модуль диагностики постоянно поступает соответствующая информация о параметрах каждого из косинусных конденсаторов 4_i…n. В случае превышения параметров (температуры, деформации корпуса, протекающего тока) какого-то из косинусных конденсаторов 4_i…n заданных в памяти модуля диагностики 7 граничных значений, по информационной шине на регулятор реактивной мощности 1 выдается соответствующий сигнал. В соответствии с этим сигналом регулятор реактивной мощности 1 выдает команду на отключение косинусного конденсатора с выявленным нештатным функционированием, а также команды на включение второго контактора 12 и соответствующих из коммутаторов 13_i…m. При этом, если емкость отключенного конденсатор G_i≤C_n/2, то включается один резервный косинусный конденсатор C_i того же номинала, что и отключенный, а если емкость отключенного конденсатора Ci>C_n/2, то включается совокупность резервных косинусных конденсаторов, суммарная емкость которых равна емкости отключенного косинусного конденсатора.

После отключения косинусного конденсатора C_i с выявленной нештатной ситуацией, с регулятора реактивной мощности 1 выдается команда на включение третьего контактора 14, при этом подается питание на формирователи тестовых сигналов 15_i. По сигналу с модуля диагностики 7 обеспечивается включение формирователя тестовых сигналов подключенного к косинусному конденсатору C_i с выявленным нештатным функционированием. В соответствии с командами с модулем диагностики 7 с помощью формирователя управляющих сигналов 15_i и датчика тока 10_i автоматически производится оценка работоспособности косинусного конденсатора C_i (например, проверка тангенса диэлектрических потерь, грубая оценка изменения емкости, проверка на внутренние электрические пробои различными уровнями и формами напряжения). Может быть предусмотрена повторная проверка параметров косинусного конденсатора после снижения температуры его корпуса до номинальных значений (по информации с датчика температуры 9_i). Наличие информации с тензодатчиков 8_i, позволяет своевременно зафиксировать вздутие корпуса косинусного конденсатора C_i и предотвратить его взрыв в устройстве.

В случае положительных результатов проверки, с модуля диагностики 7 в регулятор реактивной мощности 1 по информационной шине выдается соответствующая информация в соответствии с которой обеспечивается возможность дальнейшего использования проверенного косинусного конденсатора. При этом регулятором реактивной мощности 1 обеспечивается отключение подключенных ранее резервных косинусных конденсаторов и включение вместо них проверенного косинусного конденсатора C_i. Производится также выключение второго контактора 12 и третьего контактора 14.

В случае отрицательных результатов проверки, производится замена конденсатора C_i на аналогичный, с последующим его тестированием модулем диагностики 7 и передачей результатов тестирования в регулятор реактивной мощности 1. При этом совокупность косинусного конденсатора 4_i, датчика температуры 8_i, тензодатчика 9_i и трансформатора тока 10_i целесообразно выполнить в виде единой легкосъемной конструкции, обеспечивающей возможность его замены без отключения от сети устройства автоматической компенсации реактивной мощности.

Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается улучшение качества электрической энергии и повышение надежности функционирования за счет постоянного контроля параметров косинусных конденсаторов, по результатом которого обеспечивается автоматическая замена вышедшего из строя конденсатора на резервный. При этом, несмотря на то, что число косинусных конденсаторов в резервной батарее вдвое меньше чем в основной батарее, обеспечивается эквивалентная по емкости замена любого из косинусных конденсаторов основной батареи. Проведение автоматической диагностики косинусных конденсаторов после их отключения, позволяет вернуть часть конденсаторов в основную батарею что увеличивает в целом срок службы устройства автоматической компенсации реактивной мощности. Обработка в модуле диагностики 7 информации с тензодатчиков 8_i, позволяет своевременно зафиксировать вздутие корпуса косинусного конденсатора C_i и предотвратить его взрыв в устройстве.

На фиг. 1 приведена реализация изобретения для одной из фаз 3-фазной сети, реализация для других фаз может быть идентичной.

Использование: в области электротехники для компенсации реактивной мощности. Технический результат - улучшение качества электрической энергии и повышение эффективности энергосбережения за счет повышения надежности функционирования. Устройство содержит регулятор реактивной мощности (1), измеритель реактивной мощности (2), модуль датчиков тока и напряжения сети (3), n косинусных конденсаторов (4), первый контактор (5), n коммутаторов (6), модуль диагностики (7), n датчиков температуры (8), n тензодатчиков (9), n датчиков тока (10), m резервных косинусных конденсаторов (11), второй контактор (12), m дополнительных коммутаторов (13), третий контактор (14), n формирователей тестовых сигналов (15). Выполняется постоянный контроль состояния косинусных конденсаторов в процессе функционирования и в случае выявления выхода параметров конденсатора за заданные пределы, его отключение и оперативная замена на резервные конденсаторы с соответствующим номинальным значением емкости. После отключения конденсатора от сети проводится его оперативная диагностика и оценка возможности дальнейшего использования в составе устройства автоматической компенсации реактивной мощности. 1 ил.

Устройство автоматической компенсации реактивной мощности, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к информационному входу регулятора реактивной мощности, модуль датчиков тока и напряжения сети, выход которого подключен к входу измерителя реактивной мощности, n косинусных конденсаторов, емкость которых выбирается из соотношения C_i+1=2C_i, где 1≤i<n, первые выводы которых объединены и подключены к проводу нейтрали сети, первый контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, n коммутаторов, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам каждого из n косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу контактора, отличающееся тем, что введены модуль диагностики, соединенный информационной шиной с регулятором реактивной мощности, n датчиков температуры, n тензодатчиков и n датчиков тока, размещенные возле каждого из n косинусных конденсаторов, электрические выходы которых подключены к соответствующим информационным входам модуля диагностики, m резервных косинусных конденсаторов, емкость которых выбирается из соотношения C_j+1=2C_j, где C_m=C_n/2, 1≤j<m, первые выводы которых объединены и подключены к проводу нейтрали сети, второй контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, m дополнительных коммутаторов, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам каждого из m резервных косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключены к второму силовому выводу второго контактора, третий контактор, первый силовой вывод которого подключен к фазному проводу, n формирователей тестовых сигналов, выходы которых подключены к каждому из вторых выводов соответствующих из n косинусных конденсаторов, входы питания которых объединены и подключены ко второму силовому выводу третьего контактора, а управляющие входы которых подключены к соответствующим из управляющих выходов модуля диагностики, при этом соответствующие управляющие выходы регулятора реактивной мощности соединены с управляющими входами первого, второго и третьего контакторов, управляющими входами n коммутаторов и управляющими входами m дополнительных коммутаторов.