Двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции Российский патент 2024 года по МПК H02M5/25 

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для стабилизации трехфазного напряжения на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции всех отраслей систем электроснабжения.

Известно двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции (Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселев, Н.А. Акимова. Электрические машины: Трансформаторы: Учеб. Пособие для электромех. спец. вузов: Под ред. И.П. Копылова. - М.: Высш. Шк., 1989. - 352 с, стр. 284, рис. 9.2), которое содержит входные и выходные зажимы, силовой трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, регулировочная обмотка с ответвлениями, переключающее устройство и предызбиратель. Элементы этого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного устройства на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции соединены следующим образом: входные зажимы подключают первичную обмотку силового трансформатора к питающей сети, а выходные зажимы предназначены для подключения вторичной обмотки трансформатора к нагрузке, причем ко вторичной обмотке силового трансформатора для сохранения качества напряжения на нагрузке последовательно подключена регулировочная обмотка с ответвлениями через переключающее устройство, которое дополняется предызбирателем. Известное устройство, в зависимости от величины отклонения и колебания напряжения на нагрузке при помощи переключающего устройства увеличивая (уменьшая) число витков трансформатора поддерживает уровень напряжения на нагрузке на заданном (номинальном) значении.

В качестве основных недостатков этого устройства можно отнести большой вес и габаритные размеры трансформатора.

К недостаткам этого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного устройства следует также отнести низкое быстродействие и точность регулирования напряжения, возникновение всплеска тока, электрической дуги и коммутационных потерь при переключении одной ступени регулирования напряжения на другой ступени, которые приводят к снижению эффективности работы известного устройства и сокращению срока службы электрооборудования.

Известно также двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции (патент РФ №2146387 МПК Н02М 5/45, G05F 1/30, 1998), которое содержит два преобразователя частоты, один из которых повышает частоту напряжения и выполнен на основе управляемого реверсивного выпрямителя и инвертора напряжения, а другой понижает частоту до частоты сети и представляет собой нулевой циклоконвертор, и включенный между ними понижающий высокочастотный трансформатор. Поддержание номинального напряжения на нагрузке производится реверсивным выпрямителем по отклонению напряжения сети и нулевым циклоконвертером по отклонению напряжения нагрузки.

Недостатками известного устройства в целом является низкое быстродействие и энергетические показатели, большие гармонические составляющие на форму напряжения нагрузки, а также сложное устройство, которые приводят к ухудшению технико-экономических показателей электроустановки.

Известно двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции (Энергетическая электроника. Справочное пособие. / Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г. - 464 с, стр. 330, рис. 5.41б), которое содержит входные и выходные зажимы, силовой трансформатор, где со вторичной обмотки трансформатора выводятся несколькими отводами позволяющие плавное или дискретное регулирования напряжения под нагрузкой, тиристорные переключатели выбора ступени, состоящие из двух встречно-параллельных тиристоров, механический переключатель нагрузки и активно-индуктивную нагрузку причем входные зажимы подключают системы тиристорных переключателей выбора ступени и переключателя нагрузки (гибридная система) к вторичной обмотки силового трансформатора с выведенными отводами, а выходные зажимы предназначены для подключения активно-индуктивной нагрузки к выходам гибридной системы. Данное устройство при нестабильности величины напряжения питающей сети и тока нагрузки меняя положение выведенными отводами вторичной обмотки силового трансформатора при помощи гибридной системы обеспечивает плавное или дискретное регулирование напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора и поддерживает уровень напряжения у потребителей на номинальном (заданном) значении.

К недостаткам устройства следует отнести низкое быстродействие и энергетические показатели, большие гармонические составляющие на форму тока и напряжения нагрузки, а также сложное устройство, которое в результате все это приводят к преждевременному выходу из строя электрооборудования в частности коммутационных аппаратов самой гибридной системой и к ухудшению технико-экономических показателей всей системы.

Известно также двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции (патент РФ №2709186 МПК Н02М 5/458, G05F 1/30, опубл. 2019, бюл. №35. - 6 с), которое содержит главный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, понижающий высокочастотный трансформатор с первичной и вторичными обмотками, транзисторный выпрямитель с L-фильтром и выпрямительным мостом, а также системой управления, LC-фильтр, двухмостовой инвертор напряжения с первым и вторым транзисторными мостами и системой управления, циклоконвертор напряжения с системой управления, датчик отклонения напряжения сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, измерительно-синхронизирующий блок и нагрузку.

Элементы этого устройства соединены следующим образом. Вторичная обмотка главного трансформатора включена между выходом циклоконвертора напряжения и нагрузкой. Первичная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора одними концами пофазно присоединена к фазным выходам первого транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения, а другими концами также пофазно присоединена к фазным выходам второго транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения и через последовательно соединенные двухмостовой инвертор напряжения, LC-фильтр, выпрямительный мост и L-фильтр транзисторного выпрямителя подключена к нагрузке, при этом первый вход транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения и первый вход транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения объединены и подключены к первому выходу LC-фильтра, вместе в этим второй вход транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения и второй вход транзисторного моста двухмостового инвертора напряжения объединены и подключены ко второму выходу LC-фильтра, а вторичная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора соединена в шестифазную звезду и подключена к входу циклоконвертора напряжения, первичная обмотка главного трансформатора подключена к сети.

Основной недостаток этого известного двухподдиапазонного реакторно-тиристорного устройства на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции является сложное устройство из-за большого количества транзисторных выпрямителей и органа их управления, большой вес и габаритные размеры трансформатора.

К недостаткам этого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного устройства на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции следует также отнести наличие несинусоидальности напряжения у потребителей и низкие технико-экономические показатели.

Наиболее близким по физической сущности является двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции (Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. Учеб. пособие для специальности «Промышленная электроника», - М., «Высш. Школа», 1974. -430 с: ил., стр. 114, рис. 5.10а), которое взято за прототип.

Устройство прототип содержит входные и выходные зажимы, между которыми оно подключается к питающей сети и нагрузке. Оно состоит из силового трансформатора с первичной и вторичной обмотками, n-го модуля основного и дополнительного тиристорных ключей созданных на основе двух тиристорных ключей, соединяющихся между собой по фазе встречно-параллельно, n-го блока системы управления тиристорных ключей, блока устройства синхронизации и блока логического устройства. Для обеспечения и повышения точности регулирования напряжения на нагрузке со вторичной обмотки силового трансформатора выводятся n-ые ответвления. Входы n-ых модулей тиристорных ключей подключены к соответствующим n-ым ответвлениям вторичной обмотки силового трансформатора, а их выходы соединены между собой по схеме звезда, к которой подключено начало выходного зажима. Устройство-прототип в зависимости от положительного или отрицательного колебания и отклонения напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки тиристорными ключами плавно или дискретно меняя положения ответвления вторичной обмотки силового трансформатора на увеличении или уменьшении числа витков обмотки трансформатора сохраняет уровень напряжения у потребителей на заданном (номинальном) значении.

Положительным качеством устройства является обеспечение безыскрового переключения отпаек трансформатора под нагрузкой, повышение точности регулирования напряжения благодаря широкому диапазону регулирования напряжения, а также сохранение уровня напряжения у потребителей на номинальном значении.

Устройство-прототип помимо ряда преимуществ обладает также и недостатки, к которым, прежде всего, в целом можно отнести сложное устройство и низкие технико-экономические показатели установки за счет большого количества тиристорных ключей и органов их управления, а также наличия гармонических составляющих на форму токов и напряжений на элементах систем.

Задачей изобретения является сохранение качества электроэнергии у потребителей на заданном уровне с высокими технико-экономическими показателями при разных уровнях напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки.

В результате решения поставленной задачи будет достигнуто комплексное повышение энергетических показателей систем электроснабжения, как в стационарных, так и в динамических ее режимах работы, а также улучшение надежности работы и технико-экономические показатели электроустановки. Кроме этого, как и в прототипе повышается точность регулирования напряжения, обеспечивается отсутствие электрической дуги, коммутационных потерь и перенапряжений, а также всплеска тока на обмотках силового трансформатора и на нагрузке при необходимости регулирования напряжения под нагрузкой.

Решение поставленной задачи достигается тем, что между входными и выходными зажимами последовательно-параллельно к основным модулям и параллельно к дополнительным модулям тиристорных ключей введены трехфазный основной и дополнительный реакторы, соединяющиеся непосредственно между собой последовательно, которые через трехфазный контактор подключены к общим точкам подключения входов основного и дополнительного модулей тиристорных ключей и к точкам подключения выходов дополнительного модуля тиристорных ключей, причем входные зажимы через трехфазный рубильник подключены к вторичной обмотке силового трансформатора, где его первичная обмотка подключена к трехфазной сети, а выходные зажимы непосредственно подключены к шинам распределительного устройства трансформаторной подстанции.

Трехфазная схема предлагаемого двухподдиапазонного реакторно-тиристорного устройства на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции в однолинейном исполнении приведена на фиг. Устройство содержит входные зажимы 1, выходные зажимы 2, трехфазный рубильник 3, шину распределительного устройства 4, трехфазный силовой трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками, трехфазную сеть 8, трехфазный основной модуль тиристорные ключи 9, трехфазный дополнительный модуль тиристорные ключи 10, трехфазный контактор 11, трехфазный основной реактор 12 и трехфазный дополнительный реактор 13.

Элементы устройства соединены следующим образом. Между входными 1 и выходными 2 зажимами через трехфазный контактор 11 подключены трехфазный основной 12 и дополнительный 13 реакторы. Основной модуль тиристорные ключи 9 подключен к входным зажимам 1 и между трехфазным основным 12 и дополнительным 13 реакторами, а дополнительный модуль тиристорные ключи 10 подключен между входными 1 и выходными 2 зажимами. Входные зажимы 1 через трехфазный рубильник 3 подключены к вторичной обмотке 7 силового трансформатора 5, который его первичная обмотка 6 подключена к трехфазной сети 8, а выходные зажимы 2 непосредственно подключены к шинам распределительного устройства 4, где питания распределяется между нагрузками.

Устройство при нестабильности напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки благодаря его расширению функциональных возможностей обеспечивает стабилизации напряжения на шине распределительного устройства на заданном уровне. Под нестабильностью напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки понимается повышение (снижение) их значение до максимального (минимального) уровня относительно номинального значения. Сохранение номинального уровня напряжения на шине распределительного устройства трансформаторной подстанции при максимальном, номинальном и минимальном уровне напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки достигается следующим образом.

Обеспечение номинального напряжения на шине распределительного устройства трансформаторной подстанции при максимальном уровне напряжения питающей сети и(или) минимальном значении тока нагрузки достигается при полностью выключенных тиристорных ключей основного 9 и дополнительного 10 модулей при включенном контакторе 11, который вводит в работу основного реактора 12 в результате чего напряжения на нагрузке прикладывается через основной 12 и дополнительный 13 реакторы.

Поддержание номинального напряжения на шине распределительного устройства подстанции при номинальном уровне напряжения питающей сети и(или) номинальном значении тока нагрузки обеспечивается при полностью включенных тиристорных ключей основного модуля 9 и дополнительного реактора 13 при полностью выключенных тиристорных ключей дополнительного модуля 10.

Сохранение номинального напряжения на шине распределительного устройства трансформаторной подстанции при минимальном уровне напряжения питающей сети и(или) максимальном значении тока нагрузки осуществляется при полностью включенных тиристорных ключей дополнительного модуля 10, которые полностью шунтируют тиристорных ключей основного модуля, основного 12 и дополнительного 13 реакторов и задается коэффициентом трансформации трансформатора.

Предлагаемое двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции также позволяет стабилизировать напряжения на шине распределительного устройства подстанции между максимальным и номинальным (верхний придел регулирование), а также между минимальным и номинальным (нижний придел регулирование) уровнем напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки. Поддержание номинального уровня напряжения на шине распределительного устройства в верхнем диапазоне регулирования напряжения обеспечивается основным модулем тиристорных ключей 9, основным 12 и дополнительным 13 реакторами при полностью выключенных тиристорных ключей дополнительного модуля 10. Обеспечение плавного регулирования напряжения в нижнем диапазоне регулирования напряжения осуществляется дополнительным модулем тиристорных ключей 10 и дополнительным реактором 13 при полностью выключенных тиристорных ключей основного модуля 9 и выключенном контактора 11 и основного реактора 12.

Целесообразной областью применения предлагаемого устройства являются трансформаторные подстанции всех отраслей систем электроснабжения напряжениями 35/(10-6) кВ и (10-6)/0,4 кВ и их отклонениями в узком диапазоне.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для стабилизации трехфазного напряжения на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции всех отраслей системы электроснабжения. Техническим результатом изобретения является сохранение качества электроэнергии у потребителей на заданном уровне при разных уровнях напряжения питающей сети и(или) тока нагрузки. В результате решения поставленной задачи будет достигнуто комплексное повышение энергетических показателей системы электроснабжения как в стационарных, так и в динамических режимах ее работы, улучшение надежности работы. Кроме этого, как и в прототипе, повышается точность регулирования напряжения, обеспечивается отсутствие электрической дуги, коммутационных потерь и перенапряжений, а также всплеска тока на обмотках силового трансформатора и на нагрузке при необходимости регулирования напряжения под нагрузкой. Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что между входными и выходными зажимами последовательно-параллельно к основным модулям и параллельно к дополнительным модулям тиристорных ключей введены трехфазный основной и дополнительный реакторы. Основной и дополнительный реакторы, соединяющиеся непосредственно между собой последовательно, через трехфазный контактор подключены к общим точкам подключения входов основного и дополнительного модулей тиристорных ключей и к точкам подключения выходов дополнительного модуля тиристорных ключей. Входные зажимы через трехфазный рубильник подключены ко вторичной обмотке силового трансформатора, где его первичная обмотка подключена к трехфазной сети, а выходные зажимы непосредственно подключены к шинам распределительного устройства трансформаторной подстанции. Целесообразной областью применения предлагаемого устройства являются трансформаторные подстанции всех отраслей системы электроснабжения напряжениями 35/(10-6) кВ и (10-6)/0,4 кВ и их отклонениями в узком диапазоне. 1 ил.

Двухподдиапазонное реакторно-тиристорное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции, содержащее входные и выходные зажимы, предназначенные для подключения, соответственно, к сети и нагрузке, силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, n-й основной и дополнительный модули тиристорных ключей, созданные на основе двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, n-й блок системы управления тиристорными ключами, блок устройства синхронизации и блок логического устройства, причем вторичная обмотка силового трансформатора изготовлена специально с n-м количеством ответвлений, при этом входы n-х модулей тиристорных ключей подключены к соответствующему n-му ответвлению, а их выходы соединены между собой по схеме звезда, к которой подключено начало выходного зажима, отличающееся тем, что между входными и выходными зажимами последовательно-параллельно к основным модулям и параллельно к дополнительным модулям тиристорных ключей введены трехфазный основной и дополнительный реакторы, соединяющиеся непосредственно между собой последовательно, которые через трехфазный контактор подключены к общим точкам подключения входов основного и дополнительного модулей тиристорных ключей и к точкам подключения выходов дополнительного модуля тиристорных ключей, причем входные зажимы через трехфазный рубильник подключены ко вторичной обмотке силового трансформатора, где его первичная обмотка подключена к трехфазной сети, а выходные зажимы непосредственно подключены к шинам распределительного устройства трансформаторной подстанции.