Симметро-компенсирующее устройство для трехфазных четырехпроводных электрических сетей Советский патент 1981 года по МПК H02J3/18 H02J3/26 

(54) СИММЕТРО-КОМПЕНСИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 1,- . Изобретение относится к электроэнерггегике и предназначено для симметрирования режима работь ниаковотьгной сети с нулевым проводом компенсации в ней реактивной мощности.. Несимметрия нагрузки по фазам низковольтной ра:спрейелигельной сети с нулевым проводом и пониженный коэффициент мощности вызывают увеличение потерь мощности и ухудшение качества напряжения у потребителей. Известно устройство для рэрулирования реактивной мощности с помощью крнденсаторных батарей с тиристорным управленвем l. Однако это устройство не симметрирует напряжение и не может быть использовано в четырехпроврднык сетях. Ив известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлаГаемому является устройство, преянааначенвое для планового регулирования реактивной мощности в электрической сети с заземленной нейтралью прк соединенин оял нофазных КБ в звезду и включений т1фВС. ториых выключателей в каждый фаш1ый провод, соединяя секцию КБ с шинами низкого напряжения (НИ) распределительного трансформатора (РТ) J. . Однако это устройство не позволяет обеспечить симметричный и ураьчовешен- ный режим работы чегьфехпроводной сети при несимметрии нагрузок.. Цель изобретения - уменьшение тока в нулевом проводе сети и снижение потерь мощности и напряжения в сетях с несимметричными нагрузками. Для этого симметро-«омпенсирующее устройство, содержащее подключенные к фазнь проводам последовательно соединенные тирйсторный выключатель и батарею конденсаторов включенных в звезду, . общая точка которой подключена к нулевому проводу сети с несимметричными нагрузками, снабжено трансформатором тока, преобразователем тока, преобразователем фазных напряжений, дискретным фазовьал BHCKpHMKiiaтором, блоком выдержки времанв,.бя6ком разрешения переключения конденсаторов, блоком синхронизации и блоком запуска гирисгоров, причем первичная обмотка трансформатора тока включена в нулевой провод сети, вторичная - на вход преобразователя тока, выходы которого подключены соответственно к первым вхо дам блока выдержки времени и дискрет- ного фазового дискриминатора, Wopibie Эходы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя фазных напряжений, входы последнего служат для подключения к фазат. сети, а его третий выход соединен с входом блока синхронизации, выходы которого соединены соответственно с первыми входами, блока запуска тиристоров и блока разрешения переключения конденсаторов, второй вход последнего подключен к выходу .блока выдержки времени а третий к nepBoJviy выходу дискретного фазового дискриминатора, второй выход которого .соединен с третьим входом блока выдержки времени, причем выход блока разрешения переключения конденсаторов соединены с вторым входом блока запуска тиристоров, выходы которого подключены к соответ ствующим электродам тиристоров (семисторов) выключателей.

Входная цепь преобразователя фазных напряжений выполнека в виде соединенных в звезду первичных обмоток трех однофазных измерительных трансформаторов, напряжения, подключенных к фазам сети, а блоки преобразования тока и 4®зных на«ч пряжений выполнены на прецазионных ин.тегральных нуль-органах.

Дискретный фазовый дискриминатор выполнен на трех Д-триггерах, информационные входы которых соединены с трэккана.льным выходом преобразователя d)a3HHx напряжений, а синхронизирующие - с вы- ходом преобразователя тока через одновибратор.

Блок-разрешения переключения конденсатор.ов снабжен тремя выходными Дтриг.герами, информацинные входы которых через дополнительно введеннью комбинаци онные логические элементы соединены с выходами триггеров дискретного фазового дискриминатора, а синхронизирующие входы выходных D -триггеров соединены с блоками выдержки времени и синхронизации через дополнительно введенные блоки совпадения, причем выходы формирователе . широких импульсов управления блока син хронизации и выходы выходных И -триггеров блока разрешения переключения коаденсаторов подключены к входам блоков

совпадения, выходы которых через управляющие ключи соединены с входами соответствующих генераторов высокочастотного заполнения блока запуска тиристоров.

Мощность конденсаторной батареи каждой фазы равна Y3/18 мощности нагрузки. Конденсаторные батареи выполнены секционированными.

На фиг. 1 представлена функциональная схема симметрЬ-компенсирующего устройства в низковольтных распределительных сетях; на фиг. 2 - совмещенная диаграмма задающих токов устройства и кривые иг-менения тока TQ в зависимости от QJ; на фйг. 3 - график изменения функции ID Мо f фиг. 4 блок-схема праобра- : зователей тока и фазных напряжений} на фиг. 5 - дискретный фазный дискримина- . . тор; на фиг. 6 - блок-схема схем синхронизации, разрешения переклкзчения конденсаторов и запуска тиристоров; на фиг. 7 временные диаграммы работы узлов устройства. . .

Симметро-компенсирующее устройство (фиг. 1) подключено к проводам 0-3 распределительного .4 трансформатора в трехфазной четырехпроводиой сети с несимметричными 5-7 нагрузками и содержит: по- следовательно соединенные тйристорные 8-10 выключатели и батарею однофазных . 11-13 конденсаторов, соединенных в звез., ду, трансформатор 14 тока, преобразова.тель 15. тока, преобразователь 16 фазных напряженийд дискретный фазовый 17 дис- (Криминатор; блок выдержки 18 времени, блок 19 размещения подключения конден- . саторов, блок 20 синхронизации и блок 21 запуска тиристоров.

Указанное устройство обеспечивает уменьшение тока XQ путем получения раз-( личных комбинаций включения конденсаторных батарей 1J.-13 в зависимости от ар- rjTvieHTa Ч согласно следующей таблице:

Из диаграммы работы КБ очевиден алгоритм переключения: при изменении fo от 0 до КБ 11 подключается к фазе 1} при изменении % от 120°до ЗООКБ 12 подютючается к фазе 2; при изме- нении % от 240 до КБ 13 подключается к фазе 3, т.е. при изменении Чо в полном диапазоне (О-ЗбО) возможны шесть основных комбинаций I-VI.

Совмещенная диаграмма (фиг, 2) задающего (компенсирующего) тока JQ и 5- скомпенсированного тока IQ хорошо иллюст-. рирует симметрирующие возможности устройства (отсчет fo ведется от оси действительных чисел в отрицательном HanpaEt-s ленни), из рассмотрения которой вицно, что кривые тока I Q в зависимости от 0-360 noBTopjnoT дуги окружности, образованной компенсирующими Токами t« л ... и т.ц,, т.е. точками а ,Ь,...т,И, . Например, для . о 0°-60 .изменяется на .комплексной плоскости по цуге , С и т.д. Своеобразную развертку изменения jXoj представляет график фиг. 3 из которого видно значительное крличест венное уменьшение тока 1о для различных рабочих комбинаций hVlТок IOH в нулевэм проводе, модуль и аргумент которого изменяются в зависй мости от графика нагрузок и их несиммет рии, cнимafeтcя трансформатором тока 14, вторичная обмотка нагружена на со противление 22, напряжение на котором приложено к входу нуль-органа 23(фнг.4 К фазам сети подключены первичные об мотки однофазных 24-26. измерительных трансформаторов напряжения, а их бторич . ные обмотки нагружены на выпрямительные 27-29 мосты и нуль-органы 30-32. Выпрямленное напряжение, величина кото.рого пропорциональна уровню напряжения , .поступает на одни входы компараторов 5 3-34, к другим входам которых прикладываются опорные напряжения постоянного тока, пропорциональные верх- ней и нижней границам рабочего диапазона напряжения сети (1рпГ Цсно«ч- Аоп, CHOwT- Доп У тОр1ань1 икомпара торы выполнены на базе 1высокочувствительных интегральных операционных усилителей, позволяющих с большой точностью преобразовать напряжения и ток сети в прямоугольные импульсы и осуществить сравнения уровня напряжения сети с опорными напряжениями. Импульсы JгU,-nU2,-HLU с частотой сети с выходов нуль-органов фазных напряжений поступают непосредственно на информационные входы 1) - триггеров 3537, а импульсы Л1%преобразователя тока на их синхронизирующие вхвды через одновибратор 38, необходимый для формирования . коротких CHH tpOHMnynbCOB(trj,j )из переднего фронтаЛ Ро(фиг5 Тем самым с большой точностью (меньше 0,5 зл.град) в зависимости от нзмененяя аргумента fО триггеры 35-37 находятся в определенных состояниях (единица или нуль), реализуя алгоритм определения рабочих комб1гааций за каждый период напряжения сети. Интегрирующая цепь 39-40, входящая во все; комбинационные 41,-43 логические эле- Jменты необходима для задержки управляющих сигналов на переключение тиристорных выключателей 8-10 при изменении 0 {п.ереходе от одной рабочей кемибинации к другой), чтобы раньше сработала схема 44 ИЛИ, выходной импульс Л,QI которой за время Ь эздержки 2-t разряда ОД сек К За А iPC -интегрирующей цепи 39, 4О;-Цазр разр Вь«ОР Р жаег емкость Свц,)д схемы 18 выдержка времени и тем самым об.еспечивает начало выдержки времени ( мин) и устранение переключения КБ при случайных и непродолжительных изменениях режима работы сети. Схема 44 необходима также для блокировки блока 18, когда ве- личина гокаТя. не превышает , . , . О wpCKAj, т.е. когда нецелесообразно перекйючать КБ. Системы 45-И17 управления тирис- . торами, выполненные идентично, для трех выключателей, необходимы для синхронизации импульсов запуска тиристоров с сетью, их высокочастотного заполнения и гальваничеекой развядки блока управления с силовой целью тиристоров (фиг. 6). На информационный вход каждого из выходных В-григреров (например, 48) поступает управляющий сигнал с выхода соответствующей комбинационной логической ; схемы, а на синхронизирующий- с выхо«да схемы 49 совпадения, необходимый для разрешения синхронизации выходных триггеров лишь по истечении времени выдержки tgbiA и в момент перехода соответствующего фазного напряжения через амплитудное значение. Для .определения это;ГО момента времени для положительной и отрицательной полуволн фазного напряжения служит двухканальный формирователь 50 широких импульсов; который обеспечивает получение двух последовательностей положительных импульсов длительностью 120 эл.граД. для положительной и отрицательных полуволн напряже- НИИ сети, передние фронты которых сдвинуты на :дСР относительно моментов про- хождекия синусоизд напряжеаяй.чс-рез нуевое значение. Формирователь 51 узких импульсов необходим (кик и ранее) для получения синхроимпульсов выходных триггеров (и 2Qt(ceK), сдвинутых относительно друг друга на 180Ч Схемы 5253 совпадения пропускают широкие импульсы через управляющие 54-55 ключи а генераторы 56-57 Ройера лишь при диничном состоянии выходного 48 триггера. В этом, случае на управляющие элекроды , тиристоров относительно их ка- годов подаются пачки широких импульсов с высокочастотным заполнением и конденсаторная .11 батарея подключается к фазе 1 сети практически без переходного процесса. Остальные системы 46-47 функционируют аналогичным образом. Установочные RS-входы выходных три геров соединены соответственно между собой и необходимы для отключения( oni ) или включеяия(исети иопг) . КБ, т.е. получения дополнительных двух рабочих комбинаций Vll-VUI (при установке устройства, например, на шинах Н Н Р Т ОпГ ОП2--2 « Работа основных узлов устройства поясняется временными пиаграммам и {фиг.7 с соответствующими обозначениями для двух случаев:.а) «рд- 0-60° б) fo 12015О, для других аргументов эпюры напряжений имеют в целом аналогичный характер с определенными изменениями. За начало отсчета времени Ь о принят переход фазового напряжения через нулевое значе ние. Допустим, что в этот момент триггеры 35-37 дискретного фазо вого Дискриминатора и выходные триггеры систем 45-г47 управления тиристоров находятся в нулевом состоянии, а Цо О60°. Момент времени t-i .определяется .временам прохождения 1 Q через нулевое значение, тогда одновибратор 38 из Л.Цо вырабатывает короткие импульсы, имеющие сдвиг относительно Ь о (Пропорциональный аргументу во временной области. Важно отметить, что D -триггера переключаются в единичное состояние по прямому выходу лишь при одновременном наличии на информационном и синхронизирующем входах логической единицы. Поэтому в момент -t переключаются в ециничвое состояние только триггера 35.и 37, а триггер 36 по-прежнему находится в нулевом, так как на .его информационном входе нет единицы в этот момент времени (см. фиг. 7), т.е. специфическая особенность работы Р-триггеров дает возможность сравнительно просто реализоват алгоритм переключения КБ. Одновременно схемой 44 формируется импульс JГLЬgb(д разряда емкости .выдержки схемы 18, которая тем самым подготовлена к работе. .Следует отметить, что в блоке управления имеется также схема первоначального включения, которая автоматически произ водит ряд предварительных установок и обвспечиваег блокировку работы сзсемы вьь держкв времени при включении устройсгва, T.e. в этом случае КБ подашючаются к сети без 101,1 А что повышает коэффициент использования устройства. В момент времени bi конденсаторы интегрирующих цепей комбинационных логических .41 и 43 схем заряжаются до величины U 1,15 срабатывания логических микросхем - импульс ,Л. кончается, и одновременно с этим на информационные входы выходных триггеров подаются управляющие сигналы Упр. 8+Упр. 10, но эти триггеры не переключается в требуемое состояние до тех пор, пока не пройдет время ( омент .времени Ь/ в относительном масштабе времени), когда сработает компаратор схемы 18 и не произойдет совпадение в схеме 49 (и аналогичных ) единицы j 18 с выхода 18 и импульсов синхронизации с сетью с выхода 51 (и аналогичных) в момент времени ty. Тогда на синхронизирующие входы выходных триггеров подаются узкие .синхроимпульсы, и те выходные триггеры, на информационные входы которых подаются единичные управляющие сигналы, переключаются в единичное состояниесинхронно с переходом соответствующих фазных напряжений через амплитудное значение. Таким образом, широкие импульсы запуска проходят через схемы совпадения 52-53 (аналогично и для 47) на управл5пощие ключи 54-55 и генераторы Ройера 5657, тиристорный 8 ключ подключает конденсаторную 11 батарею к фазе 1 сети. В момент времени Ьь аналогичным образом подключается КБ 13 к фазе 3 сети. В момент времени -t- происходит естественная коммутация одного из управляемых вентилей тиристорного 8 выключателя и сразу же открывается другой его управляемый вентиль. Из рассмотрения временны, диаграмм следует, что случайные и непродолжительн флуктуации тока IQH не оказывают влияния на режимы работы устройства., а жесткая сйнхрони;зация с сетью пачек, импульсов управления с высокочастотным заполнением обеспечивает включение конденсаторных батарей без переходного процесса, и тем самым хорошие условия эксплуатации силовых элементов симметро- компенсирующего устройства. Выбор мощности конденсаторных батарей в каждой фазе, сети осуществляется исходя из условия компенсации математического ожидания тока в нулевом проводе: г1 1-1 режиме максимальных нагрузок сети. В общем случае как система токов, гак и система напряжений на нагрузке несимметрична и.содержит составляющие прямой, с ратной и нулевой посйецовательносгей, но в силу s го, что сопротивление нулевой последовательности в четыре (при одинаковых сеченйяк фазного и нулевого проводов) и болё,е (при меньшем сечении нулевого проjBOfia) раз больше сопротивления обратной Ю последовательности, напряжение нулевой последовательности UQ (смещение нейтрали) значительно больше напряжения обратной последовательности. Предложенное устройство с пофазно-коммутируемымк тирис-5 торными включателями батарей конденсатЬ.ров обеспечивает полную-или частичную компенсацию токов нулевой последовательности, создаваемых несимметрией нагру.эок и тем самым уменьшает несимметрию 20 фазных напряжений.

Ь { зультате проведенных расчетов ряда режимов электрических сетей с нуле- вым проводом при наличии и отсутствии 25 симметро-компенсирующего устройства установлено, что условие полной Ксмпенсации тока в нулевом проводе при подключении, например, устройства на шины О- 30-60-80- 120- 150%(град) -ЗО -6О -90 -12О -ISO -180

Н Н Р Т выражается следующей зависимостью:

. SM - суммарная нагрузка РТ или фиде: ра). Перерасчет мощностей косинусных конденсаторов производится по утверждённой методике.

Использование предложенного устройства в низковольтных сетях с нулевым проводом обеспечивает следующие результаты

-уменьшение тока в нулевом проводе

в (2-5) pasf, азначит и напряжения нулевой последовательности в тех же поецелах;

-коэффициент неуравновешенности по напряжению уменьшается до величины

eS

-коэффициент мощности увеличивается от 0.9 до 0,98;

-отклонения напряжения на шинах РТ не превышают допустимых значоний;

-при принятом в расчетах cos(ц 0,9 потери мощности В РТ снижаются по срав некию с режимом без устройства т 0,50,6% от передаваемой активной мощности. Для меньших значений сов%11отери мощности в сети при установке ;устройства снижаются еще в большей степонк. 180- 21О- 240- 27О- 300- ЗЗО-21О -240 -27О -ЗОО -330 -360

1. Симметро-«омпенсиру1ощее устройство для трехфазных четырехпроводных электрических сетей, содержащее подключенные к фазным проводам последователь но соединенные тиристорный выключатель и батарею конденсаторов, включенных в звезду общая точка которой подключена к нулевому проводу сети, отличающееся тем, что, с целью уменьше ния тока в нулевом проводе и снижения потерь мощности и напряжения в сети с несимметричными нагрузками, оно снабже но трансформатором тока, преобразователем тока, преобразователем фазных напря жений, дискретным фазовым дискримина- тором, блоком выдержки времени, блоком разрешения переключения конденсаторов. тиристоров, причем первичная обмотка трансформатора тока включена в нулевой провой сети, а вторичная - на вход преобразователя тока, выходы которого подключены соответственно к первь1М вк.ои&ы блока выдержки времени и дискретного фазовогс дискриминатора, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя фаз.ных напряжений, входы последнего служат для подключения к фазам сети, а его третий выход соедине:: с входом блока сии- хронизйцин, выходы которого соединены соответственно с первыми входами блока запуска тиристоров и блока разрешения переключения конденсаторов, второй вход последнего подключен к выходу блока выдержки времени, а третий - к первому вы- ходу дискретного фазового дискриминатора, второй выход которого соединен с тр тьим входом блока выдержки времени, причем выход блока разрешения переключения конденсаторов соединен с вторым входом блока запуска тиристоров, выходы которого подключены к соответствующим электродам тиристоров (семисторов) выключателей. 2.Устройство по п.- 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения точности симметрирования, входная цепь преобразователя фазных, напряжений выполнена в виде соединенных с звезду первичных обмоток трех однофазных изме рительных трансформаторов напряжения, подключенных к фазам сети, а блоки преобразования тока и фазных напряжений вы полнены на прецезионных интегральных нуль-органах. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отли чающееся тем, что, с целью упрощения, дискретный фазовый дискриминатор выполнен на трех U-триггерах, информационные входы которы.х соединены с трехканальным выходом преобразрвате ля фазных напряжений, а синхронизирующие - с выходом преобразователя тока через одновибратор, . . 4. Устройство по пп. , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью по вьппения помехоустойчивости, эффективности и надежнорти работы устройства, блок разрешения переключения конденсаторов содержит три выходных D-триг62 гера, информационные входы которых через комбинационные логические элементы соединены с выходами триггеров дискретного фазового дискриминатора, а синхронизирующие входы выходных и -триггеров служат для подключения блоков выдержки времени и синхронизации через блоки совпадения, при этом выходы формирователей широких импульсов управления блока синхронизации и выходы выходных та -триггеров блока разрешения переключения конденсаторов подключены к входа блоков совпадения, выходы которых через управляющие ключи соединены с входами соответствующих генераторов высокочастотного заполнения блока запуска тиристоров. 5,Устройство по п. 1, о т л. и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьпиеНИИ эффективности уменьшения тока, мощность конденсаторной батареи каждой фазы равна -/3/18 мощности нагрузки. 6.Устройство по п. 1,отличают е ее я тем, что, с целью расширения диапазонов симметрирования режима сети и компенсации реактивной мощности Конденсаторные батареи выполнены секционированными. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Веников В. А. и др. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях, М., Энергия, 1975, с. 97-130. 2.Электричество, 1966, №3, с. 6-11, рис. 1.

и

%

1,

j Z

О

g --

Vr

..LI

Л9/

ffnrKAff- f

/f/rx

.

Jllfi

ф1/г.§

лгбьи

y/7fff

«