УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DEVICE TO CONTROL VOLTAGE

Изобретение относится к устройству для регулирования электрического напряжения в сетях электроснабжения.
При централизованном энергоснабжении, широко распространенном в настоящее время, регулирование напряжения обычно выполняется посредством регулировочных трансформаторов в центральных сетевых узлах соответствующих сетей высокого или среднего напряжения. Для этого регулировочные обмотки соответствующих регулировочных трансформаторов снабжаются ответвлениями обмоток; посредством ступенчатых переключателей может выполняться без прерываний переключение под нагрузкой между смежными ответвлениями обмоток.
Подходящие для этого переключатели могут быть, в принципе, подразделены на два типа: переключатели типа быстродействующего переключателя с шунтирующими резисторами, в которых для ограничения протекающего при переключении контурного тока предусмотрены нагружаемые лишь кратковременно промежуточные омические резисторы переключателя ответвлений, и в соответствии с этим осуществляется быстродействующее переключение между ответвлениями обмоток, а также переключатели типа реактивных переключателей, в которых предусмотрены реактивные импедансы переключения, за счет чего также возможно медленное и непрерывное переключение.
При описанном регулировании напряжения в области сетей высокого и среднего напряжения также без особых проблем возможно осуществление регулирования в распределительных трансформаторах при децентрализованном энергоснабжении.
Для такого приближенного к потребителю регулирования в случае децентрализованных сетей энергоснабжения широко используются, особенно в США, так называемые «регуляторы напряжения». Большинство применяемых в настоящее время регуляторов напряжения являются однофазными, имеют индуктивные импедансы переключения, также называемые реактором или реакторной обмоткой, и позволяют осуществлять ступенчатое регулирование 32 ступенями по 5/8%, то есть в диапазоне +/-10%.
Другим видом такого регулятора напряжения являются регуляторы типа Auto-Booster. Эти приборы существенно проще и обеспечивают регулирование в направлении повышения 4 ступенями по 2% или 1%, то есть всего на 10 или 6%.
Другое решение, касающееся приближенного к потребителю регулирования напряжения в области низкого напряжения, описано в публикациях WO 01/33308 и WO 03/044611. В основе этих обеих заявок лежит общая идея, заключающаяся в том, чтобы предусмотреть регулировочный трансформатор с малым количеством ответвлений. При этом отдельные части обмоток через переключатель, соответственно, избирательно включаются в контур, причем регулировочный трансформатор должен иметь такой высокий импеданс рассеяния, что контурный ток, в случае короткого замыкания соседних ответвлений частичных обмоток, - которое кратковременно возникает при переключении под нагрузкой - должен ограничиваться до величины порядка номинального тока. Типовые шунтирующие резисторы переключателя, в случае классического ступенчатого переключателя, могут при этом отсутствовать. В такой конструкции, которая пригодна для выполнения регулировочного трансформатора как в виде автотрансформатора, так и нормального двухобмоточного трансформатора, возможны многочисленные, самые различные варианты выполнения переключателя. Так, в качестве переключателя предлагается применять переключатель нагрузки без омического контакта и имеющий только главные контакты переключатель нагрузки ступенчатого переключателя. Согласно другим предложениям, переключатель должен выполняться как многоступенчатый кулачковый переключатель, по выбору, может также быть образован цепью реле или контакторов, или, наконец, цепью электронных переключателей, в частности тиристорных переключающих схем. Число возможных положений переключения может соответствовать при этом числу требуемых переключающих элементов переключателя.
Недостатком этих решений, известных из предшествующего уровня техники, является то, что, по меньшей мере, в случае нормального двухобмоточного трансформатора должна иметься отдельная основная обмотка и регулировочная обмотка. Для того чтобы индуктивность рассеяния каждой ступени работала на таком высоком уровне, чтобы ток короткого замыкания ступеней достигал лишь величины номинального тока, требуется короткий канал рассеяния. Результатом этого является отдельная короткая регулировочная обмотка, которая повышает ширину и глубину трансформатора. Эти дополнительные затраты на трансформатор превышают в большинстве случаев пользу, обеспечиваемую исключением шунтирующих резисторов переключателя. Кроме того, способ переключения сложно видоизменять; в частности, известная конструкция не пригодна для параллельных схем.
Задачей изобретения является создание простого и экономичного устройства для регулирования электрического напряжения для распределительных трансформаторов и регуляторов напряжения с минимально возможным количеством переключающих элементов.
Эта задача решается устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к особенно предпочтительным вариантам осуществления изобретения.
Соответствующее изобретению устройство предпочтительно предназначено для регулирования распределительных трансформаторов с малым диапазоном регулирования, например, +/-5% ступенями по 2,5%, таким образом, всего пятью ступенями. Соответствующее изобретению устройство пригодно как для масляных, так и для сухих трансформаторов. Его особое преимущество заключается в том, что необходимо лишь минимальное увеличение размеров соответствующего распределительного трансформатора, и обеспечивается высокая работоспособность и надежность работы. Это объясняется тем, что соответствующее изобретению устройство спроектировано как переключающее устройство, в котором отказались от механически подвижного избирателя или избирателя ответвлений обмоток регулируемого под нагрузкой трансформатора переключателя ступеней нагрузки. Кроме того, соответствующее изобретению устройство имеет невысокую сложность, используя, в частности, лишь небольшое число компонентов в качестве переключающих элементов. Например, в случае описанного ниже более подробно варианта выполнения с пятью выбираемыми ступенями напряжения требуется только четыре переключающих элемента. Эти переключающие элементы особенно предпочтительным образом могут быть выполнены в виде встречно-параллельно включенных пар тиристоров или вакуумных камер распределительного устройства.
Изобретение поясняется ниже более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1 - схематичное представление первого соответствующего изобретению устройства;
фиг. 2 - таблица реализуемых в этом устройстве ступеней напряжения в зависимости от установки отдельных переключающих элементов;
фиг. 3 - соответствующие установки отдельных переключающих элементов для указанных ступеней напряжения,
фиг. 4 - другое соответствующее изобретению устройство для регулирования напряжения на стороне нагрузки регулятора напряжения,
фиг. 5 - другое соответствующее изобретению устройство для регулирования напряжения на стороне первичного напряжения регулятора напряжения,
фиг. 6 - другое соответствующее изобретению устройство с альтернативно выполненными переключающими элементами,
фиг. 7 - другое соответствующее изобретению устройство с расширенной конфигурацией коммутационных аппаратов.
На фиг. 1 схематично представлено первое соответствующее изобретению устройство. Показана основная обмотка 1 регулировочного трансформатора, конец 2 которой ведет к середине отдельной регулировочной обмотки 3 регулировочного трансформатора. Регулировочная обмотка 3 имеет в данном случае три отдельных ответвления А1…А3. Ответвления А1 и А3 находятся, соответственно, на противолежащих концах регулировочной обмотки 3, ответвление А2 находится точно в середине, в месте, где имеется соединение с концом 2 основной обмотки 1. Регулировочная обмотка 3 выполнена таким образом, что эффективная длина обмотки между ответвлениями А1 и А2, а также между ответвлениями А2 и А3 здесь соответствует 5% длины основной обмотки 1. Разумеется, возможны и другие длины обмоток.
Каждое из ответвлений А1…А3 соединено с входом переключающего элемента, в данном случае вакуумного выключателя V1…V3. Выход первого вакуумного выключателя V1, который соединен с ответвлением А1 на первом конце регулировочной обмотки 3, и выход второго вакуумного выключателя V2, который соединен с ответвлением А2 в середине регулировочной обмотки 3, ведут к обоим концам реакторной обмотки 4; параллельно ей между этими обоими выходами размещен еще один переключающий элемент, в данном случае еще один вакуумный выключатель V4. Выход третьего вакуумного выключателя V3, который соединен с ответвлением А3 на другом конце регулировочной обмотки 3, электрически соединен с выходом первого вакуумного выключателя V1. Середина реакторной обмотки 4 ведет к отводу. Для этого на реакторной обмотке 4 предусмотрено ответвление 5.
Путем соответствующего приведения в действие вакуумных выключателей V1…V4 напряжение в данном примере может регулироваться в диапазоне +/-5% шагами по 2,5%.
Фиг. 2 показывает для примера, приведенного на фиг. 1, таблицу пяти различных возможных ступеней напряжения в зависимости от установки соответствующих вакуумных выключателей V1…V4. При этом «с» обозначает замкнутое положение, «о» обозначает разомкнутое положение соответствующего переключателя.
Можно видеть, что с помощью этих пяти вакуумных выключателей возможна установка всего пяти ступеней напряжения. Это объясняется тем, что на ответвлениях А1 и А3, соответственно, может сниматься напряжение, отстоящее на +/-5% от напряжения на ответвлении А2, и за счет соответствующего монтажа реакторной обмотки 4 еще может добавляться половина от этого, то есть 2,5%.
Управление вакуумными выключателями V1…V4 возможно простым способом, например, с помощью кулачковых переключателей, так как реализуется очень простая последовательность действий, независимо от направления переключения «более высокого напряжения» или «более низкого напряжения», путем простого включения и отключения.
На фиг. 3 показаны различные положения вакуумных выключателей V1…V4 для схемы, показанной на фиг.1 и описанной выше, с использованием отдельных ступеней напряжения, как показано в таблице на фиг. 2.
Фиг. 4 показывает соответствующее изобретению устройство в качестве составной части регулятора напряжения для регулирования на стороне нагрузки. Можно видеть, что входное напряжение Us приложено к основной обмотке 1, конец которой ведет к среднему ответвлению регулировочной обмотки 3, то есть к показанному ответвлению А2. Вновь с разнесением по обмотке, соответственно, на 5% основной обмотки предусмотрены ответвления А1 и А3 на обоих концах регулировочной обмотки 3. Положение и функция вакуумных выключателей V1…V4 уже описаны выше, как и показанная регулировочная обмотка 4. Еще здесь показаны преобразователь 6 тока и преобразователь 7 напряжения на стороне нагрузки. Тем самым можно известным способом определять действительные значения тока и напряжения на стороне нагрузки. С помощью не показанного здесь известного регулятора осуществляется сравнение действительных и заданных значений, и в результате принимается решение о необходимом регулировании «выше» или «ниже». Вслед за этим предпринимается соответствующее изменение состояний включения вакуумных выключателей V1…V4, как показано на фиг. 2. Если управление этими вакуумными выключателями V1…V4 осуществляется посредством кулачкового управления, то для приведения в действие в зависимости от направления весьма просто может выполняться поворот управляющего кулачка на 72 градуса.
Фиг. 5 показывает соответствующее изобретению устройство для регулирования на стороне входа (источника) регулятора напряжения. Функционирование не изменяется.
Фиг. 6 показывает другое соответствующее изобретению устройство, в данном случае с встречно-параллельно включенными парами тиристоров Th1…Th4 в качестве переключающих элементов.
В рамках изобретения описанные переключающие элементы могут быть реализованы, как описано выше, посредством вакуумных выключателей, а также посредством механических переключателей или тиристорных переключающих схем. Показанный вариант выполнения с тиристорными переключающими схемами имеет преимущество, заключающееся в том, что соответствующее изобретению устройство в целом представляет собой полностью статический переключатель, без каких-либо подвижных элементов срабатывания. Для управления тиристорными переключающими схемами Th1…Th4 показанная на фиг. 2 таблица может быть просто преобразована специалистом в данной области техники в логику электронного управления.
В рамках изобретения также возможно расширить показанное на фиг. 1 переключающее устройство каскадным способом, при этом на регулировочной обмотке предусматривается более трех ответвлений, и для каждого из этих ответвлений также может осуществляться монтаж с использованием собственного переключающего элемента. Пример такого выполнения только с одним дополнительным ответвлением А4 показан на фиг. 7. Регулировочная обмотка 3 в этой форме выполнения изобретения рассчитывается таким образом, чтобы длина обмотки между всеми ответвлениями А1…А4 была одинаковой, например, составляла, соответственно, 5% от длины основной обмотки 1. Для специалиста в данной области техники не составит труда дополнить соответствующую таблицу состояний аналогично показанному на фиг. 2 представлению, в соответствии с реализуемыми согласно изобретению ступенями напряжения. Такой принцип каскадирования может быть расширен, по мере необходимости.