Компенсатор реактивной мощности Советский патент 1993 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических сетях и электроустановках для компенсации реактивной мощности.

Известны статические компенсаторы, содержащие конденсаторные батареи и потребители реактивной мощности, управляемые тиристорами. Основной недостаток таких компенсаторов - необходимость для выдачи реактивной мощности сооружения конденсаторных батарей.

Известны также компенсаторы реактивной мощности, представляющие собой преобразователи с запираемыми вентилями (например, 2). Для них не требуется конденсаторная батарея как источник реактивной мощности, так как они выдают реактивную мощность, когда работают при отрицательных углах регулирования, близких к -90°. Любой преобразователь с запираемыми вентилями, между полюсами которого включен сглаживающий реактор, становится компенсатором реактивной мощности. В настоящее время запираемые вентили выполняются в виде послеДовэтельнб соединенных запираемых тиристоров.

VJ

00 С

ел ю го

Наиболее близким к предлагаемому компенсатору является компенсатор в виде 24-фазного преобразователя, схема которого приведена. Этот преобразователь, как и другие, становится компенсатором путем применения для него запираемых вентилей и включением в контур постоянного тока только сглаживающего реактора. Недостаток этого компенсатора, принятого за прототип, сострит в том, что его запираемые вентили подвергаются воздействию больших перенапряжений, возникающих из-за принудительной коммутации тока в цепях, содержащих индуктивные сопротивления трансформаторов. Из-за этого возрастает стоимость вентилей и, соответственно, компенсатора, а также снижается его надежность.

Целью изобретения является уменьшение стоимости и повышение надежности компенсатора путем снижения перенапряжений на запираемых вентилях.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсаторе реактивной мощности, который содержит две одинаковые трехфазные группы главных трансформаторов, одну трехфазную группу фазоповоротных трансформаторов, четыре трехфазных моста с запираемыми вентилями, сглаживающий реактор и устройства управления вентилями, причем каждый главный трансформатор является однофазным, двухстержневым, имеет сетевую обмотку, две расщепленные вентильные обмотки, одна из которых в трехфазной группе соединена звездой, а другая - треугольником, и третичную обмотку, каждый фазоповоротный трансформатор является однофазным, двухстержневым, имеет сетевую обмотку, две расщепленные вторичные и две расщепленные тре- тичные обмотки, каждая из которых соединена звездой, фазные выводы сетевых обмоток всех трансформаторов подключены к сети трехфазного тока, нулевые выводы сетевых обмоток главных трансформаторов соединены с фазными выводами вторичных обмоток фазоповоротных трансформаторов так, что напряжения первой и второй групп главных трансформаторов соответственно опережают и отстают на 7,5 эл.градусов относительно напряжений сети, четыре моста и сглаживающий реактор соединены последовательно в замкнутый контур постоянного тока, выполнены следующие новые технические решения: между каждой парой выводов каждой вентильной обмотки включены конденсаторы; третичные обмотки двух групп главных трансформаторов соединены между собой пофазно через разноименные третичные обмотки фазоповоротных трансформаторов, имеющие коэффициент трансформации, близкий к К3- (sin7,5°/sin52,5°), где К3 - коэффициент трансформации третичной обмотки главного трансформатора, причем соединение третичных обмоток трансформаторов выполнено так, что во всех образованных замкнутых контурах сумма векторов напряжений равна нулю.

0 Благодаря указанному включению конденсаторов и соединению третичных обмоток трансформаторов, образуются колебательные контуры, в каждый из которых входит емкость конденсатора и индуктив5 ность короткого замыкания вентильной обмотки. Емкость конденсаторов выбирается такой, чтобы собственная частота колебательных контуров имела относительное значение, равное 9 (в 9 раз выше частоты сети

0 переменного тока). При этом получается эффективное ограничение перенапряжений при небольшой мощности конденсаторов (10-15%) от мощности компенсатора).

Величина перенапряжений на запирае5

мых вентилях определяется амплитудой колебательной составляющей напряжения, которая пропорциональна индуктивному сопротивлению, входящему в колебательный контур. При предложенном соединении

0 третичных обмоток трансформаторов в колебательный контур входит индуктивное со- противление короткого замыкания вентильной обмотки Х2, тогда как при отсут-; ствии такого соединения - (Xi + Ха), где Xi

5 - приведенное к вентильной обмотке индуктивное сопротивление короткого замыкания сетевой обмотки главного трансформатора. В результате этого соответственно уменьшается амплитуда колеба0 тельной составляющей напряжения, которая в сумме с амплитудой линейного напряжения вентильной обмотки определяет величину перенапряжения на запираемых вентилях.

5 Когда в контур входит (Xi + Х2), величина перенапряжений равна примерно удвоенной амплитуде линейного напряжения вентильной обмотки, то есть 2 Ул.т. Когда же в контур входит только сопротивление Х2,

0 величина перенапряжений не больше 1,5IW

В известной нам технической информации (авт. свидетельства СССР, патенты, книги, статьи) предлагаемые технические

5 решения в их совокупности не содержатся, На фиг. 1 приведена схема предлагаемого компенсатора реактивной мощности; на фиг. 2 - векторные диаграммы его напряжений.

Компенсатор (фиг. 1) содержит две одинаковые трехфазные группы главных трансформаторов, каждая из которых состоит из трех однофазных главных трансформаторов

1. одну трехфазную группу фазоповоротных трансформаторов, состоящую из трех однофазных фазоповоротных трансформаторов

2. четыре трехфазных моста 3 с запираемыми вентилями, конденсаторы 4, сглаживающий реактор 5 и устройства управления вентилями (последние на фиг, 1 не показаны). Однофазный главный трансформатор 1

- двухстержневой; он имеет сетевую обмотку 6, третичную обмотку 7 и две расщепленные вентильные обмотки 8 и 9. Сетевая 6 и третичная 7 обмотки состоят каждая из двух соединенных параллельно лолуобмоток, размещенных на двух стержнях трансформатора 1. Вентильная обмотка 8 размещена на одном стержне, а вентильная обмотка 9

- на другом стержне трансформатора 1. Вентильные обмотки 8 в каждой трехфазной группе главных трансформаторов соединены по схеме звезда, а вентильные обмотки 9 - по схеме треугольник, Напряжение вентильной обмотки 9 в выше напряжения вентильной обмотки 8 (линейные напряжения трехфазных о5мотск, состоящих из обмоток 8 и 9, одинаковы).

Однофазный фазоповоротный трансформатор 2 - двухстержневой; он имеет сетевую обмотку 10, расщепленные вторичные обмотки 11 и 12 и расщепленные третичные обмотки 13 и 14. Сетевая обмотка 10 состоит из двух соединенных параллельно полуобмоток, размещенных на двух стер- жнях трансформатора 2. Вторичные обмотки 11 и 12, размещенные на двух стержнях трансформатора 2, одинаковые.Также одинаковы размещенные на двух стержнях трансформатора 2 третичные обмотки 13 и 14. Сетевые обмотки 10 трех трансформаторов 2 соединены по схеме звезда. Также по схеме звезда соединены вторичные обмотки 11 и 12 и третичные обмотки 13 и 14 трех трансформаторов 2. Нейтрали всех обмоток трех трансформаторов 2 заземлены.

Конденсаторы 4 включены между каждой парой выводов каждой трехфазной вентильной обмотки.

Трехфазные мосты, имеющие в своем составе по шесть запираемых вентилей, подключены к вьи дам трехфазных вентильных обмоток: од,:и мост- к одной трехфазной вентильной обмотке, состоящей из обмоток 8 или обмоток 9 трех главных трансформаторов 1. На стороне постоянного тока четыре моста 3 и сглаживающий реактор 5 соединены последовательно в замкнутый контур.

Нулевые выводы х, у, z сетевых обмоток 6 трех главных трансформаторов 1 первой трехфазной группы соединены соответственно с фазными выводами bi, ci, ai вторичных обмоток 11 трех фазоповоротных трансформаторов 2, Нулевые выводы х, у, z сетевых обмоток 6 трех главных трансформаторов 1 второй трехфазной группы соединены соответственно с фазными выводами

С2, 32, Ьа вторичных обмоток 12 трех фазоповоротных трансформаторов 2. Коэффициент трансформации вторичной обмотки фазопо- воротного трансформатора равен (sln7,5°/sin52,5 или 0,1645. В результате

такого подключения вторичных обмоток 11 и 12 фазоповоротных трансформаторов 2 к нулевым выводам сетевых обмоток 6 главных трансформаторов 1 напряжения обмоток первой трехфазной группы главных

трансформаторов сдвинуты по фазе относительно соответствующих напряжений сети ка 7,5° в сторону опережения, а напряжения второй трехфазной группы главных трансформаторов - на 7,5° в сторону отставания.

Благодаря этому, к четырем мостам подводится 24-фазная симметричная система напряжений и компенсатор осуществляет 24-фазное преобразование тока, при котором входной (сетевой) ток близок к синусоидальному (коэффициент искажения

синусоидальности этого тока меньше 0,5%).

Одним из отличительных признаков

предлагаемого компенсатора является пофазное соединение третичных обмоток 7

первой и второй групп главныхтраксформа- торов 1 через третичные обмотки 13 и 14 фазоповоротных трансформаторов 2. Как показано на фиг. 1, фазные выводы а, Ь, с третичных обмоток 7 первой группы г;.авных трансформаторов 1 соединены соответственно (пофазно) с фазными выводами а, Ь, с третичных обмоток 7 второй группы главных трансформаторов 1, Нулевые выводы х, у, z третичных обмоток 7 первой группы

главных трансформаторов 1 соединены соответственно с фазными выводами ci, ai, bi третичных обмоток 13 фазоповоротных трансформаторов 2, а нулевые выводы х, у, z третичных обмоток 7 второй группы главных трансформаторов 1-е фазными выводами 02, С2, 32 третичных обмоток 14 фазоповоротных трансформаторов 2. При указанном соединении третичных обмоток трансформаторов и определенном коэффициенте трансформации для третичных обмоток 13 и 14 в образованных замкнутых контурах достигается баланс напряжений и, вследствие этого, в них не протекает уравнительный ток, имеющий частоту сети. Это

утверждение доказывается с помощью векторных диаграмм фиг. 2.

На фиг. 2 построены векторы фазных напряжений сети Ед, Ев, ЕС, векторные диаграммы 15 и 16, показывающие образова-; ние векторов напряжений Uea и Uea соответственно для фаз а сетевых обмоток б первой и второй групп главных трансформаторов 1, векторные диаграммы 17,18 и 19, показывающие как образуется баланс напряжений при пофазном соединении третичных обмоток 7 первой и второй группы главных трансформаторов 1 через третичные обмотки 13 и 14 фазоповоротных трансформаторов 2 соответственно для фаз а, с, и b обмоток 7,

По диаграмме 15 видно, что, благодаря последовательному соединению фазы а обмотки 6 из первой группы главных трансформаторов 1 и фазы D1 обмотки 11 фазоповоротного трансформатора 2, напряжение Uea опережает на 7,5° напряжение Ед фазы А сети. Аналогично по диаграмме 16 видно, что, благодаря последовательному соединению фазы а обмотки 6 из второй группы главных трансформаторов 1 и фазы С2 обмотки 12 фазоповоротного трансформатора 2, напряжение Uea отстает на 7,5° от напряжения Ед фазы А сети. На диаграммах 15 и 16 показаны соответственно векторы напряжений и , относящиеся к фазам а третичных обмоток 7 первой и второй групп главных трансформаторов 1, которые отличаются от Uea и Uea только по величине в соответствии с коэффициентом трансформации Кэ третичных обмоток 7 ( K3U6a, U7a KsUea ). .

По диаграмме 17 видно, что в замкнутом контуре фаза Ci обмотки 13 - фаза а обмотки 7 из первой группы главных трансформаторов - фаза а обмотки 7 из второй группы главных трансформаторов - фаза D2 обмотки 14 (фиг. 1) сумма векторов напряжений равна нулю (имеется баланс напряжений).

Определим, какую величину должен иметь коэффициент трансформации у обмоток 13 и 14 фазоповоротного трансформатора 2 для того, чтобы были справедливы векторные диаграммы 17-19. Из диаграммы 17 имеем

Ul3c U7a

sin 7,5е

sin 60° Из диаграммы 15 имеем

sin 120°

K3U6a КэЕд

sin 52,5е

Следовательно

Ui3c (K3 8|П7|5°0)ЕА. sin 52,5°

и поэтому коэффициент трансформации у обмоток 13 и 14 фазоповоротного трансформатора 2

U13 Е

. UM „ sin 7,5°

-р- - КЗ -----т,

Еsin 52,5°

где К3 - коэффициент трансформации третичной обмотки 7 главного трансформатора 1.

Таким образом, соединение третичных обмоток трансформаторов компенсатора выполнено так, что при указанной величине

коэффициента трансформации третичных обмоток фазоповоротных трансформаторов во всех образованных таким соединением замкнутых контурах сумма векторов напряжений равна нулю.

Положительный эффект от предлагаемого соединения третичных обмоток трансформаторов состоит в том, что при этом 11-я и 13-ая гармоники тока в основном замыкаются в контурах третичных обмоток и практически не проникают в сетевые обмотки 6 главных трансформаторов 1, Токи в сетевых обмотках 6 близки к синусоидальным, а это означает, что колебательные процессы, возникающие при принудительных коммутациях тока запираемыми вентилями, не распространяются на сетевые обмотки 6, их индуктивные сопротивления короткого замыкания не входят в колебательные контуры. Последние, кроме емкости шунтовых

конденсаторов 4, содержат только индук- тивны.е сопротивления короткого замыкания вентильных обмоток 8 и 9. В результате достигается поставленная цель - уменьшаются перенапряжения на запираемых вентилях.

Для оценки величины положительного эффекта предлагаемого технического решения рассмотрим конкретный пример.

Для компенсатора в качестве главного

трансформатора 1 использован трансформатор типа ОДЦТНП-135000/330/110, Трансформаторы этого типа эксплуатируются на Выборгской выпрямительно-инвер- торной подстанции. Трансформатор типа

ОДЦТНП-135000/330/110 имеет следующие значения индуктивных сопротивлений короткого замыкания, приведенные к вентильной обмотке, соединенной звездой: сетевой обмотки Xi 4,2 Ом,

вентильной обмотки Х2 2,8 Ом. Рассмотрим два варианта компенсатора:

первый вариант - третичные обмотки трансформаторов не соединены между собой (оставлены холостыми),

- второй вариант - третичные обмотки соединены по нашему предложению.

Для обоих вариантов емкость шунтовых конденсаторов выбирается такой, чтобы частота колебательных процессов была 450 Гц (относительная частота v 450/50 9). В обоих вариантах постоянный ток Id 2 кА.

Амплитуда колебательной составляющей анодного напряжения вентиля в первом варианте.

UKm - (Xi + Xa)ld 9(4,2 + 2,8)-2 126 кВ, во втором варианте

UKm vX2ld 9 -2,8-2 50 кВ.

В обоих вариантах амплитуда линейного напряжения вентильной обмотки трансформатора при холостом ходе

11лт т/2- 67 95кВ.

Величина перенапряжений на запираемых вентилях в первом варианте

Uam илт + икт 95 + 126 221 кВ, во втором варианте

Uam -Ujim + UKm 95 + 50 145 кВ.

В данном конкретном и реальном примере величина перенапряжений на запираемых вентилях компенсатора, благодаря применению предлагаемого технического решения, снижается

в Uam /Uam 221/145 1,5 раз.

Снижение перенапряжений приводит к уменьшению стоимости запираемых вентилей. Получаемая при этом экономия превосходит небольшие дополнительные затраты из-за удорожания трансформаторов, вызванного введением в их конструкцию третичных обмоток. Это подтверждается прикладываемым расчетом.

Снижение перенапряжений приводит к уменьшению числа запираемых тиристоров, включенных последовательно в каждом запираемом вентиле, а также к уменьшению числа и мощности конденсаторов. Уменьшение количества этих высоковольтных элементов определяет повышение надежности компенсатора.

Формула изобретения Компенсатор реактивной мощности, содержащий две одинаковые трехфазные

группы главных трансформаторов, одну трехфазную группу фазоповоротных трансформаторов, четыре трехфазных моста с запираемыми вентилями, сглаживающий реактор и устройства управления вентилями, причем каждый главный трансформатор является однофазным, двухстержневым, имеет сетевую обмотку, две расщепленные вентильные обмотки, одна из которых в трехфазной группе соединена звездой, а

другая - треугольником, и третичную обмотку, каждый фазоповоротный трансформатор является однофазным, двухстержневым, имеет сетевую обмотку, две расщепленные вторичные и две расщепленные третичные обмотки, каждая из которых соединена звездой, фазные выводы сетевых обмоток всех трансформаторов подключены к сети трехфазного тока, нулевые выводы сетевых обмоток главных трансформаторов

соединены с фазными выводами вторичных обмоток фазоповоротных трансформаторов так, что напряжения первой и второй групп главных трансформаторов соответственно опережают и отстают на 7,5 эл.град. относительно напряжений сети, четыре моста и сглаживающий реактор соединены последовательно в замкнутый контур постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью уменьшения стоимости и повышения надежности путем снижения перенапряжений на запираемых вентилях, между каждой парой выводов каждой вентильной обмотки включены конденсаторы, а третичные обмотки двух групп главных трансформаторов соединены между собой пофазно через разноименные третичные обмотки фазоповоротных трансформаторов, имеющие коэффициент трансформации, близкий к K3(sin7,50/sin52,5°), где К3 - коэффициент

трансформации третичной обмотки главного трансформатора, причем соединение обмоток третичных трансформа- торов выполнено так, что во всех образованных замкнутых контурах сумма векторов напряжений равна нулю.

Я Q 0 С

Сущность изобретения: в состав КРМ входят две одинаковые трехфазные группы главных трансформаторов, одна трехфазная группа фазоповоротных трансформаторов, четыре трехфазных моста с запираемыми вентилями, конденсаторы, включенные между выводами вентильных обмоток главных трансформаторов, сглаживающий реактор и устройства управления вентилями. В каждой трехфазной группе главных трансформаторов одна вентильная обмотка соединена звездой, а другая - треугольником. Фазоповоротными трансформаторами создается 24-фазная система анодных напряжений и компенсатор работает в режиме 24-фазного преобразования тока. Входной ток КРМ близок к синусоидальному. Отличительные особенности КРМ - конденсаторы, подключенные к вентильным обмоткам трансформаторов, и пофазное соединение третичных обмоток двух трехфазных групп главных трансформаторов через третичные обмотки фазоповоротных трансформаторов, что приводит к уменьшению перенапряжений на запираемых вентилях. В результате этого снижается стоимость и повышается надежность КРМ. 2 ил. ел с

A) «i j i 4 Г I

Ј; v u н; Г