Дважды трехфазная система электроснабжения Советский патент 1992 года по МПК H02J3/00 

Изобретение относится к электроэнергетике и может найти применение на электрических станциях и подстанциях электрических систем.

Целью изобретения является обеспечение нормальных условий работы дважды трехфазных систем при всех условиях, повышение устойчивости параллельной работы генераторов и электрических станций, а также ограничение токов к.з. при любых повреждениях в любой точке системы, возможности покрытия любых графиков нагрузки в системе, присоединения и выдачи мощности в межсистемные связи.

Указанная цель достигается за счет того, что обе полуобмотки (обмотки) статора включаются последовательно, а начало и конец обмоток генератора подключаются к на- грузкам. Для обеспечения защиты генератора от повреждений и отключения генератора от сети производится выключателями со стороны нагрузок, Для оптималь- ного использования параметров существующего оборудования последовательно включенные полуобмотки двух генераторов соединяются между собою параллельно. Для согласования параметров источников и нагрузок между ними устанавливаются трансформаторы. При таком соединении обмоток (полуобмоток) источников . и нагрузок к обеим группам выводов любое трехфазное к,з. на одних из сборных шин приводит к шунтированию одной из нагрузок, что приводит к увеличению тока в источнике и во второй нагрузке в два раза.

На фиг.1 приведены принципиальные схемы соединения обмоток (полуобмоток) генератора в дважды трехфазной системе (ДТС); на фиг.2 и 3 - принципиальные схемы ДТС вместе с двумя трехфазными генераторами и нагрузками; на фиг.4 - схемы соединения обмоток .(полуобмоток) двух генераторов 1 и 2 и двух трансформаторов 15 и 16 в ДТС и переводом их в трехфазный режим (ТС) со стороны точки их последовательного соединения с мощностью выключателя 13 и 14; на фиг.5 - принципиальная схема сборки ДТС с чередующимися обмотИ t

00 00

ел о

ками генераторов и трансформаторов с двумя выключателями для перехода ДТС в ТС; на фиг;6 - принципиальная схема ДТС из 2-х генераторов и двух трансформаторов и перевод ДТС в ТС на шинах подстанции; на фиг.7 - принципиальная схема подключения к шинам электрической станции, собранной на ДТС, преобразовательной установки передачи постоянным током; на фиг.7, 8, 9 - принципиальные схемы электрических станций ДТС с полутора выключателями на одно присоединение и с четырьмя выключателями на три присоединения.

Принципиальная схема ДТС (фиг.Ча) собрана на двух трехфазных комплектах обмоток (полуобмоток) 1, 2 и 3, 4, соединенных последовательно, а выводы начала и конца источника через выключатели 5, 6 подключены к сборным шинам 15, 16, от которых питаются линии 13 и 14 и нагрузки 11 и 12. На фиг. 16 приведена схема ДТС в трехлинейном изображении.

На фиг.2 приведена в трехлинейном изображении ДТС из двух генераторов, полуобмотки которых 1, 2 и 3, 4 соединены последовательно, а их начала и концы подключены к секциям 7, 8. Каждая полуобмотка фазы изображена со своей ЭДС и реактивностью. Индексы, относящиеся к каждой фазе, двойные: первый указывает на номер генератора, а второй на номер полуобмотки. Генераторы, включенные по такой схеме, на обоих выходах имеют жестко связанные ЭДС, положение которых не нарушается ни при каких аварийных ситуациях. К тем же секциям шин 7, 8 подключаются трехфазные генераторы 5 и 6, предназначенные для покрытия нагрузок, появляющихся при неравенстве сопротивлений нагрузок 9, 10, линий 11 и 12, питающих распределительные подстанции и связывающих ДТС с другими станциями.

Приведенные на фиг.1 и 2 схемы способы ограничивать токи короткого замыкания при повреждениях на сборных шинах, на линиях и на выводах нагрузки, но работать такая система может только при равенстве сопротивлений нагрузок 11 и 12 и линий 13 и 14. Поэтому для покрытия любых нагрузок, подключенных к секциям сборных шин 15 и 16, кроме основных генераторов, собранных из двух последовательных полуобмоток 1-2 и 3-4, присоединяются трехфазные генераторы 5 и 6 (фиг.2). В этом случае нагрузки на сборных шинах от потребителей 9 и 10 йот линий 11 и12 могут иметь любые произвольные значения. Часть мощности, равная для обеих подсистем, может покрываться генераторами 1-2 и 3-4, а другая - покрывается трехфазными генераторами 5-6, которые могут иметь любые соединения обмоток.

На фиг.З представлена электрическая

станция с двумя системами сборных шин 7 и 8, к которым подключены генераторы 1-2, через свои трансформаторы 15 и 16, образующие ДТС с жестко связанными ЭДС, приложенными к шинам 7 и 8, к линиям 11, 12,

0 13 и 20 и к нагрузкам 9 и 10. Отношение мощностей, выдаваемых в систему от сборных шин, может быть любым за счет подклю- чениятрехфазныхблоков

генераторов-трансформаторов 5-14 и 6-19.

5 Увеличение мощности ДТС может производиться за счет установки нескольких генераторов с последовательным соединением полуобмоток, как у генераторов 1-2. Кроме этого, может применяться последователь0 ное соединение двух обмоток генераторов со стороны нулевых выводов или выполнять последовательное соединение одной пары обмоток 3, а вторую пару 4 оставлять в трехфазном соединении. Эти трехфазные об5 мотки усиливают синхронную связь обмоток 3 с ДТС при любых авариях на шинах или в системе. Для перевода ДТС в ТС обоих генераторов со стороны средних точек обмоток генераторов устанавливают0 ся выключатели 13, собирающие трехфазную нейтраль и тем самым переводящие ДТС в ТС.

На фиг.4а приведена схема соединения обмоток1а и 16, 2а и 26 и присоединения к

5 их средним точкам выключателя 13. Если выключатель отключен, то блоки Г-Т 15-1- 2-16 работают в ДТС. На фиг.4б средние точки двух последовательных полуобмоток 1 и 2 не соединяются вместе, В каждой из

0 этих средних точек обмоток 1 и 2 подключены выключатели 14 и 13. Во включенном положении каждый выключатель переводит ДТС с двумя полуобмотками в трехфазный режим. Если включен выключатель 14, то в

5 режиме ДТС работают полуобмотки 2а и 26 и отдают свою мощность через трансформаторы 15 и 16. Полуобмотки 1а и 16, собранные в ТС, передают свою мощность через те же трансформаторы 15 и 16 на обе системы

0 шин станции. Аналогичная работа генераторов будет при включении только выключателя 13 и при включении одновременно обоих выключателей. При таком соединении оба генератора связаны между собой и электро5 механически и электромагнитно при любых режимах.

Это еще раз подтверждает, что в любой из N-трехфазных систем источники представляют собою единый электромеханический и электромагнитный комплекс, в

котором подсистемы связаны, что позволяет и ограничивать токи к.з, и повышать устойчивость. Следует подчеркнуть, что в системе ДТС с последовательным соединением полуобмоток для генераторов имеет место условие самостоятельной работы по нагрузке (по току и коэффициенту мощности).

На фиг.5 приведена схема сборки ДТС из двух чередующихся обмоток (полуобмо- .ток) статоров генераторов 1 и 2, роторы которых, имеют механическую связь. Обмотки (полуобмотки) статоров подключены к генераторным обмоткам силовых трансформаторов 3 и 4. Повышающие обмотки этих трансформаторов подключены к линиям или несвязанным секциям сборных шин. Коммутация между собою обмоток статоров 1 и 2 генераторных обмоток трансформаторов 3 и 4, производится одним из 2-х выключателей 5 или 6. При включенном выключателе 5 совместно работает генератор 1 и трансформатор 3, а генератор 2-е трансформатором 4. При включенном выключателе 6 совместно работают генератор 1 с трансформатором 4, а генератор 2-е трансформатором 3. Это дает возможность при ремонте одного из трансформаторов или генераторов обеспечивать работу хотя бы одного блока. Для перевода этого блока в ДТС оба выключатели должны быть отключены.

На фиг.6 показана схема ДТС с двумя генераторами 1-2 и 3-4 с блочными, трансформаторами 5 и 6, с нагрузками 11, 12. подключенными к сборным шинам 15, 16, связанными с системой 23 линиями электропередачи 18, 19.

По этим линиям от двух систем шин ДТС передается мощность в систему. При этом в точке, куда подходят две цепи линии 19 и 18, ДТС обращается в трехфазную систему. На шинах 15 и 16. откуда отходят линии 18 и 19, система остается дважды трехфазной и любое повреждение на ее шинах 15 и 16 или в источнике сопровождается ограничением тока к.з. Если подстанция с шинами 23 расположена вблизи линии межсистемной связи, то она может использоваться для связи с этими двумя системами.

На фиг.7 приведена схема ДТС из шести генераторов 2-7 и силовых трансформаторов 10-15, подсистемных к двум системам сборных шин 17 и 18. Один блок генератор- трансформатор 1-9 подключен в трехфазном соединении. К сборным шинам подключены линии электропередач 19-26 и 51. Коммутация всех элементов производится по схеме три выключателя на два присоединения. В нормальном режиме для предотвращения образования гальванической связи между шинами 17 и 18 выключатели 35-42 отключены, каждая система ДТС своими подсистемами связана с одной из систем шин.

5Кроме линий, питающих трехфазные нагрузки, две линии 42 и 51 подключены к шинам 52 и 53, от которых через анодные трансформаторы 54 и 55 питаются мостовые преобразователи 56-5С. От выводов преоб- 0 разователей 56 и 59 питается постоянным током двухполюсная передача. В ДТС все линии, подключенные к шинам ВН, трансформаторы, генераторы (кроме блока Г-Т 1-9), потребители собственного расхода 5 при любых повреждениях в любой точке системы имеют режим ограничения токов к.з. Таким же ограничением обладает передача постоянным током при к,з. на полюсе и в обмотках анодного трансформатора. Это 0 позволяет разгрузить вентили преобразователей от сверхтоков.

На фиг.8 приведена схема электрической станции ДТС с полутора выключателями на одно присоединение. Каждая пара 5 генераторов 1-2, 3-22, 23-24 через свои трансформаторы 6-7, 8-18, 19-20 подключается к двум системам сборных шин 16 и 17.

При повреждении системы сборных 0 шин 16 происходит отключение всех присоединенных к этим шинам выключателей.

Если проверка изоляции шин в цикле АПВ одним из выключателей указывает на устойчивое повреждение на шинах, то вы- 5 ключатели отключенные при к.з,, остаются обесточенными, а по линиям 9-15, как и до аварии продолжает выдаваться энергия. Станция продолжает работать в режиме ДТС. Аналогичные условия будут иметь ме- 0 сто, если повреждение произойдет на сборных шинах 17. Ни одна из цепей линии или трансформаторов не отключится и станция будет работать в ДТС.

При повреждении линий,отходящих от 5 шин станции, например, на линии 10 срабатывает выключатель 34. После проверки изоляции в цикле АПВ и определения устойчивого повреждения линия обеспечивается. Все остальные линии и источники продол- 0 жают выдавать энергию. При повреждении генератора, шинопровода или трансформатора, например, блока Г-Т 1-6 и 2-7, они должны отключаться с двух сторон. В схеме (фиг.8) три пары блоков Г-Т собраны в ДТС. 5 Часть генераторов станции может переводиться на трехфазную работу со стороны нулевых выводов обмоток генераторов. Генераторы синхронизуются с обеими подсистемами ДТС в нормальном режиме. При трехфазном к.з. на одной из систем сборных

шин напряжение на второй системе сборных шин возрастает, но синхронизирующее напряжение между выводами генераторов с двумя последовательными полуобмотками и генераторами, соединенными со стороны нулевых выводов, остается, что обеспечивает их синхронную работу.

Перевод пары генераторов из системы ДТС в ТС может производиться кроме включения выключателя, собирающего вместе средние точки всех трех фаз (например, фиг.4а, выключатель 13), созданием гальванической связи между сборными шинами 16 и 17.

На фиг.9 приведена схема станции ДТС с четырьмя выключателями на три присоединения. Схема собрана на трех парах блоков Г-Т1-2 и 10-11,3-4 и 12-13,5-6 и 14-15 и двух трехфазных блоках Г-Т 7-9 и 8-16, Для предотвращения перевода ДТС в трехфазный режим выключатели 23-26 отключены. При к.з. на сборных шинах 17 все выключатели, подключенные к сборным шинам, отключаются. После опробывания изо- ляции выключателем и выявления устойчивого повреждения сборные шины 17 остаются обесточенными, а генераторы и подсистема ДТС продолжают выдавать энергию потребителям по всем линиям.

Рассмотрим электромагнитные процессы в схеме с двумя системами сборных шин, к которым подключен дважды трехфазный источник с двумя нагрузками, сопротивления которых равны. Схема является частью схемы фиг.1а, В нормальном режиме напряжения на сопротивлениях одинаковы, а относительно выводов источника в средней точке, где соединяются полуобмотки, напряжения равны нулю. Это как бы искусственная нулевая точка и если эти точки всех трех фаз собрать вместе, то получим нулевую точку двух трехфазных систем с одинаковыми по величине напряжениями и токами в нагрузках. Это самый простой способ перевода дважды трехфазного источника в два трехфазных. Если к выводам ДТС подключить разные по величине сопротивления, то нулевая точка сдвинется по обмотке генератора в сторону меньшего сопротивления. При уменьшении его величины до нуля получим трехфазное к.з. на выводах одной из подсистем ДТС или на выводах одной из нагрузок. Из-за уменьшения величины сопротивления вдвое установившееся значение тока в источнике и в неповрежденной нагрузке возрастает в два раза (пренебрегая внутренним сопротивлением источника).

Известно, что при внезапном к.з. в электромагнитной системе ток состоит из периодической и апериодической составляющих, зависящих от параметров цепи и момента времени. Первая составляющая является синусоидальной функцией, а вторая экспонентой. Из-за высокого cos f в

цепи экспонента быстро затухает и через 180° ее величина снижается до 1,52%, т.е. практически не оказывает влияния на ток к.з. Сравнение величин токов к.з. двух блоков Г-Т мощностью по 300 тыс.квт при повреждении на шинах ТС достигает 10 1н, а при тех же условиях при к.з. на одной системе сборных шин ДТС равно 4,8 1н. Их отношение показывает, что перевод ТС в ДТС уменьшает ток к.з. в 4,1 раза. В случае, если

совместно с дважды трехфазными источниками будут работать трехфазные генераторы, то суммарный ток повреждения будет отделяться составляющими обоих источников.

Представляет интерес оценить, хотя бы ориентировочно, как влияет применение ДТС в системах электроснабжения по сравнению с трехфазными системами на .устойчивость параллельной работы генераторов

и электрических станций.

Для ТС и ДТС активные мощности одинаковы и имеют равные идеальные пределы мощности, одинаковые углы сдвига векторов ЭДС относительно напряжения на ши:

нах и углы выбега роторов при наборе нагрузки. Ни одна из систем электроснабжения не имеет явно выраженных преимуществ. Однако картина электромагнитных процессов резко изменится при аварийных

режимах.

, При трехфазном к.з. на шинах трехфазной станции напряжение шин снижается до нуля. Из-за снижения напряжения трехфазных генераторов электромагнитная связь

между генераторами.подключенными к шинам с системой прекращается. Выдаваемая до аварии активная мощность генераторов снижается до нуля, на валах трехфазных генераторов и турбин резко

снижается тормозной момент, а вращающий момент турбины остается таким же, как был до к.з., что приводит к возрастанию скорости вращения роторов. Соответственно появляется опасность нарушения синхронизма генераторов, даже при отключении места повреждения и восстановления напряжения на шинах.

При трехфазном к.э. на шинах одной из подсистем ДТС напряжение шин этой подсистемы снижается до нуля. Трехфазные генераторы, работающие на эти шины теряют электромагнитную связь между собою, с источниками ДТС и с системой. Напряжение

на неповрежденных шинах дважды трехФазного источника возрастает и резко возрастает электромагнитная связь между параллельно работающими ят™™№Ј трехфазными генераторами, п°Д™юче ми к шинам своей и других ™ций.Мвэду шинами с разными по величине направим ями появляются уравнительные токи, которые снижают апРяжлетнЈе ы неповрежденной системе или ДТС шают напряжение на шинах станций, куда S уравнительные реактивные токи и возросший токи нагрузки. При этом напряжение в мощной системе при двойной ЭДС лмжды трехфазного источника снижается к з. до 1.25-1.3 и„. При этом мощность выдаваемая ДТС, при к.з. на одной системе сборных шин соизмерима с мощностью выдаваемой в режиме нормальной на- фузки потому при повреждении на шинах на валу генератора и турбины не появляется большого ускоряющего момента и с точки зрения устойчивости ДТС находится в значи™еткягж

Живость параллельной работы электрических станций и использовать для сооружения и реконструкции существующих станций с двумя системами сборных шин и Распределительных подстанций, и использовать имеющиеся генераторы и трансформаторы. Формула изобретения 1 Дважды трехфазная система электроснабжения, содержащая основной генера4 и.г 1

тор связанный одними выводами с одной системой сборных шин, а другими выводами - с ДРУГОЙ системой сборных шин, не связанных с первой, а также дополнительные генераторы, подключенные к указанным системам сборных шин, о т л и ч а ю щ а я с я

тем что. с целью повышения устойчивости, основной генератор выполнен с двумя обмотками, соединенными друг с другом по0 следовательно.

2 Система по п.1. отличающаяся тем, что связь генератора со сборными шинами осуществлена через дополнительно введенные трансформаторы.

5 3 Система по пп.1и2,отлич а юща- я 6 я тем что она снабжена вторым основным генератором, соединенными параллельно с первым, выполненным с двумя обмотками, соединенными друг с другом по0 следовательно.

. 4 Системапопп.1-3.отличающая- с я тем что она снабжена по меньшей мере одним коммутационным аппаратом, соеди- 5 няющим в одну точку общие выводы обмо- ток по меньшей мере одного генератора.

5 Система по пп.1-4, о т л и ч а ю щ а я- с я тем что, с целью осуществления связи с трехфазной энергосистемой, связь между 30 системами сборных шин осуществлена на подстанции, которая через электропередачи подключена к указанным системам сборных шин, при этом к упомянутой подстанции подключена линия связи с трехфазной энер- 35 госистемой.

-ах -

le-rgTbk

| @ /тлПГс- ри.г.8.

/ JS 2/iu

P и г. 3

/f

Фиг.4

Сущность изобретения: генераторы выполнены с двумя последовательно соединенными обмотками, включенными между секциями шин и образуют дважды трехфазную систему. В результате того, что при к.з. возрастает электромагнитная связь между параллельно работающими другими дважды трехфазными системами и трехфазными генераторами, подключенными к шинам, мощность, выдаваемая системой, соизмерима с мощностью, выдаваемой в режиме нор- мальной нагрузки. Поэтому при повреждениях на шинах на валу генератора не появляется большого ускоряющего момента. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

. 6

гч

I

7

/S

иг. 8

1W

Щ

5