Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности Российский патент 2024 года по МПК H02J3/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для снижения потерь электроэнергии и аварийности систем электроснабжения, а также повышения их пропускной способности, и может быть использовано для независимой пофазной компенсации реактивной мощности несимметричных нагрузок, ограничения коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов, снижения тока в нейтральном проводе низковольтных четырёхпроводных линий электропередач.

Уровень техники

Из уровня техники известно устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности (см. [1] патент РФ на изобретение № 2229766, МПК H02J 3/18, опубл. 27.05.2004), содержащее первый трехфазный выключатель, три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником с тремя внешними зажимами, третьи из которых подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением, отличающееся тем, что в него введены дополнительный трехфазный выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, при этом трехфазные батареи конденсаторов первыми внешними зажимами напрямую, а вторыми внешними зажимами через нормально замкнутые однополюсные выключатели соединены в три общие точки, которые подключены к входам контактов первого и дополнительного трехфазных выключателей, сблокированных от одновременного включения и через контакты первого трехфазного выключателя могут быть подключены к фазам питающей сети, а через контакты дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе, к нулевому проводу питающей сети.

Недостатками данного технического решения являются отсутствие системы автоматического управления, сложность регулирования емкости конденсаторных установок из-за наличия большого количества коммутационных аппаратов, отсутствие нерегулируемой ступени конденсаторов, отсутствие защиты от высших гармоник, невозможность снижения тока в нейтральном проводе.

Из уровня техники известно устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности (см. [2] патент РФ на изобретение № 2768366, МПК H02J 3/18, опубл. 24.03.2022), содержащее три регулируемые конденсаторные установки, каждая из которых входным зажимом подключена к соответствующей фазе питающей сети, а выходным зажимом подключена к соответствующим входным зажимам первого, нормально разомкнутого, трехфазного выключателя, три выходных зажима которого замкнуты между собой и подключены к нулевому проводу питающей сети, три датчика тока фаз питающей сети и три датчика фазного напряжения питающей сети, выходы которых подключены ко входам блока управления, выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим входам трех регулируемых конденсаторных установок и к управляющему входу первого трехфазного выключателя, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательным нормально замкнутым трехфазным выключателем, сблокированным от одновременного включения с первым трехфазным выключателем, при этом три входных зажима вспомогательного трехфазного выключателя подключены к соответствующим трем общим точкам соединения регулируемых конденсаторных установок и первого трехфазного выключателя, а три выходных зажима вспомогательного трехфазного выключателя соединены с разноименными по отношению к его входным зажимам входными зажимами трех регулируемых конденсаторных установок.

Недостатками данного технического решения являются отсутствие защиты от высших гармоник, отсутствие датчиков выдержки времени, отсутствие нерегулируемой ступени конденсаторов, сложность регулирования.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для пофазной компенсации реактивной мощности (см. [3] патент РФ на изобретение № 2697259, МПК H02J 3/18, опубл. 13.08.2019), содержащее три автоматически регулируемые конденсаторные установки с соединением по схеме звезда с нулевым проводом, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, три регулируемых конденсатора в каждой конденсаторной установке, три трансформатора тока, выводы первичной обмотки которых подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования, три пускателя электромагнитных, подключенные к трем соответствующим регулируемым конденсаторам, отличающееся тем, что в него введены: три нерегулируемые (первые) ступени в конденсаторных установках, мощность, которых рассчитана на постоянную составляющую РМ нагрузки, три независимых блока регулирования, каждый блок регулирования подключается к фазному напряжению соответствующей фазы, к своим соответствующим трансформаторам тока, установленным в каждой фазе сети и регулируемым конденсаторам, три датчика времени срабатывания, подключенные к блокам регулирования и регулируемым конденсаторам.

Недостатками прототипа являются отсутствие защиты от высших гармоник, большое число регуляторов.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является независимая пофазная компенсация реактивной мощности несимметричных нагрузок, ограничение коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов 6(10)/0,4 кВ, снижение тока в нейтральном проводе трёхфазных четырёх- и пятипроводных линий электропередач систем электроснабжения низкого напряжения с несимметричной и нелинейной нагрузкой.

Техническим результатом является:

• снижение реактивных токов в фазах и, как следствие, снижение потерь электрической энергии в системах электроснабжения и повышение их пропускной способности,

• ограничение коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов в случае размещения устройства на трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ приводит к уменьшению вероятности пробоя изоляции линии и обмоток трансформатора,

• уменьшение тока в нейтральном проводе низковольтных четырёхпроводных линий в случае размещения устройства на вводах отдельных зданий, строений и домов позволяет снизить вероятность термического разрушения линии и нейтрального провода,

• повышение качества электрической энергии за счёт частичной фильтрации токов высших гармоник и несимметричных реактивных токов,

• обеспечение защиты конденсаторов от негативного воздействия токов высших гармоник и возможного возникновения резонанса.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счёт устройства независимой пофазной компенсации реактивной мощности, содержащего корпус внутри которого закреплены три однофазные конденсаторные батареи, собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью» и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов, датчики выдержки времени, три трансформатора тока, отличающееся тем, что используется один трёхканальный регулятор, контакторы с токоограничивающими резисторами (дросселями), дополнительно введены три однофазных токоограничивающих дросселя, подключенные последовательно конденсаторным батареям в каждой фазе.

Также задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что однофазные конденсаторные батареи имеют нерегулируемую постоянно включенную первую ступень конденсаторов.

Также задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что устройство выполнено в бескорпусном модульном исполнении.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Функциональная схема устройства независимой пофазной компенсации реактивной мощности.

На фиг. 1 обозначены следующие позиции: 2 - однофазная конденсаторная батарея, 3 - нерегулируемая ступень конденсаторов, 4 - регулируемые ступени конденсаторов, 5 - датчик выдержки времени, 6 - трансформатор тока, 7 - трёхканальный регулятор, 8 - токоограничивающий дроссель.

Осуществление изобретения

Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности содержит корпус, внутри которого установлены три однофазные конденсаторные батареи (2), собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью» и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов (4). Кроме того, устройство содержит три датчика выдержки времени (5) на срабатывание контакторов для коммутации необходимого числа ступеней конденсаторов соответствующей фазы с определённой задержкой времени, три трансформатора тока (6), подключенные в каждой фазе сети для измерения значений действующих токов в фазах, трёхканальный регулятор реактивной мощности (7), по командам которого происходит независимая пофазная коммутация контакторов для включения или отключения необходимого числа ступеней конденсаторов (4) соответствующей фазы до достижения заданного значения коэффициента мощности (или коэффициента реактивной мощности), контакторы с токоограничивающими резисторами или дросселями, три однофазных антирезонансных фильтрующих дросселя (8), настроенных на определённую частоту, в первую очередь предназначенные для защиты конденсаторов от перегрузки и термического разрушения вследствие протекания токов высших гармоник и возможного появления резонанса.

Описываемое устройство эффективно компенсирует реактивную мощность в каждой фазе низковольтной несимметричной нагрузки, исключая режимы недокомпенсации и перекомпенсации в отдельных фазах, благодаря чему снижаются потери электроэнергии и повышается пропускная способность систем электроснабжения.

В случае размещения устройства на вводах отельных зданий, строений и домов также снижается ток в нейтральном проводе четырёхпроводных линий систем электроснабжения низкого напряжения с несимметричной и нелинейной нагрузкой без усложнения функциональности и, как следствие, конструкции устройства, что уменьшает вероятность термического разрушения линии и нейтрального провода. Наибольший эффект будет наблюдаться при использовании устройства в низковольтных системах электроснабжения, выполненных с заниженным сечением нейтрального провода по сравнению с сечением силовых проводов.

В случае размещения устройства на трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ наряду с эффективной компенсацией реактивных токов несимметричных нагрузок также ограничиваются перенапряжения, возникающие при коммутации силовых трансформаторов, что позволяет продлить допустимый срок эксплуатации силовых трансформаторов, линий и соединительных муфт.

Токоограничивающие дроссели (8), включенные последовательно конденсаторным батареям (2) и настроенные на определённую гармонику частоты сети, имеют очень малое значение сопротивления на основной гармонике и высокое значение индуктивных сопротивлений для высших гармоник, за счёт чего уменьшаются гармонические составляющие токов нагрузки. Дроссели (8) позволяют предотвратить перегрузку и термическое разрушение конденсаторов из-за возможного возникновения резонанса между ёмкостью конденсаторов и индуктивностью сети. Наряду с защитой конденсаторов, предотвращением резонансных явлений и частичной фильтрацией высших гармоник дроссели (8) могут играть роль токоограничивающих реакторов для защиты конденсаторов от бросков пусковых токов, возникающих при коммутации регулируемых ступеней конденсаторов (4).

Устройство может быть выполнено с первой нерегулируемой постоянно включенной ступенью конденсаторов (3).

Использование одного трёхканального регулятора (7) вместо трёх, необходимых для осуществления независимой пофазной компенсации, снижает стоимость и сложность конструкции устройства. Регулятор может быть выполнен с дистанционным телеуправлением, позволяющим дистанционно управлять устройством и осуществлять мониторинг и передачу данных в диспетчерские пункты.

Датчики выдержки времени (5) на срабатывание контакторов позволяют отстроиться от кратковременных изменений потребления реактивной мощности в сети, тем самым повысить допустимый срок службы контакторов и конденсаторов.

В устройстве предпочтительно использовать токоограничивающие контакторы с демпфирующими резисторами или дросселями, позволяющие ограничить броски пускового тока и перенапряжения при коммутации ступеней конденсаторов. Также могут использоваться обычные электромеханические контакторы и контакторы на базе полупроводниковой техники.

Устройство может быть выполнено в модульном бескорпусном исполнении для размещения, например, в эксплуатируемых распределительных шкафах и действующих устройствах компенсации реактивной мощности, что позволяет снизить затраты на установку и ввод в действие в сравнении со шкафными устройствами.

Изобретение работает следующим образом.

С помощью трансформаторов тока (6) и регулятора реактивной мощности (7) производится измерение действующих значений токов в фазах и напряжений, вычисляется действующий коэффициент мощности (или коэффициент реактивной мощности) в каждой фазе и в случае несоответствия заданным значениям по команде регулятора (7) с выдержкой времени включения, достигающейся с помощью датчиков выдержки времени (5) и позволяющей исключить коммутацию ступеней конденсаторов (4) при кратковременных изменениях потребления реактивной мощности, осуществляется коммутация токоограничивающих контакторов соответствующей фазы для включения или отключения некоторого числа регулируемых ступеней конденсаторов (4), необходимого для достижения заданной величины коэффициента мощности определённой фазы. Регулятор (7) производит поочерёдный опрос фаз на необходимость компенсации реактивной мощности.

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике. Технический результат заключается в снижении потерь электрической энергии и повышении пропускной способности систем электроснабжения, а также в ограничении коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов, в снижении тока в нейтральном проводе четырёхпроводных линий. Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности содержит корпус, внутри которого установлены три однофазные конденсаторные батареи, собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью» и состоящие из n-го числа ступеней конденсаторов. Кроме этого, устройство содержит три трансформатора тока, трёхканальный регулятор реактивной мощности, по командам которого происходит независимая пофазная коммутация токоограничивающих контакторов для включения или отключения необходимого числа ступеней конденсаторов до достижения заданной величины коэффициента мощности в фазах, три датчика выдержки времени на срабатывание контакторов соответствующей фазы с определённой задержкой времени, позволяющие отстроиться от кратковременных изменений потребления реактивной мощности, три однофазных фильтрующих дросселя для защиты конденсаторов от перегрузки и термического разрушения вследствие протекания токов высших гармоник. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности, содержащее три однофазные конденсаторные батареи (2), собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью», подключенные к каждой фазе сети и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов (4), контакторы для включения и отключения требуемого числа регулируемых ступеней конденсаторов для достижения заданной величины коэффициента мощности соответствующей фазы, датчики выдержки времени (5) на срабатывание контакторов соответствующей фазы с задержкой времени, три трансформатора тока (6), подключенные в каждой фазе сети, отличающееся тем, что содержит один трёхканальный регулятор (7), контакторы выполнены с токоограничивающими резисторами или дросселями, введены три однофазных токоограничивающих дросселя (8), подключенные последовательно конденсаторным батареям в каждой фазе.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что однофазные конденсаторные батареи (2) имеют нерегулируемую постоянно включенную первую ступень конденсаторов (3).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено в бескорпусном модульном исполнении.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит корпус, внутри которого закреплены три однофазные конденсаторные батареи.