Малогабаритное устройство продольной компенсации

Область техники
Предложение относится к устройствам продольной компенсации реактивной мощности и может быть применено для управления пропускной способностью воздушной линии электропередачи (ВЛ).
Уровень техники
Известны малогабаритные устройства продольной компенсации (МУПК) реактивной мощности, основанные на технологии Smart Wire (умный провод) [http://www.smartwires.com/technology/].
Сущность этой технологии состоит в том, что устройства компенсации, предназначенные для введения в провод ВЛ дополнительного реактивного сопротивления, выполняются малогабаритными (вес устройств, как правило, не превышает 100 кг), вследствие чего эти устройства могут быть размещены непосредственно на проводах ВЛ. Поскольку МУПК находятся на значительном удалении от поверхности земли, то необходимость применения высоковольтной изоляции в таких устройствах отсутствует, вследствие чего МУПК обладают относительно низкой стоимостью.
Конструктивное исполнение МУПК позволяет производить его монтаж без разрыва провода воздушной линии, что делает устройства МУПК мобильными. Устройства МУПК могут устанавливаться на уже работающие линии ВЛ, могут по истечение некоторого времени демонтироваться и перемещаться на другие ВЛ, число устройств на линии может увеличиваться или уменьшаться в соответствии с техническими требованиями по регулированию потоков мощности. Выполнение вышеуказанной основной функции МУПК могут совмещать с мониторингом режима работы и состояния провода ВЛ.
В качестве первого аналога рассматривается пассивный МУПК наиболее простой конфигурации, описанный в патентном документе [US 2008/0310069].
Схема этого аналога воспроизведена на фиг. 1. Она содержит трансформатор, сердечник которого охватывает провод ВЛ, а вторичная обмотка шунтирована нормально-замкнутым контактом выключателя и двунаправленным тиристорным ключом.
Там же описана конструкция корпуса МУПК, обеспечивающая его размещение на проводе ВЛ. Аналогичная конструкция корпуса может быть использована для МУПК с другими схемными конфигурациями, включая предлагаемый МУПК.
Известна также схема индуктивно-емкостного МУПК, которая воспроизведена на фиг.2 и рассматривается в качестве второго аналога [D. Divan. Design consideration for series connected distributed facts converter // IEEE Transmission and Distribution Conference, 2005, New Orleans, Louisiana., pp. 1609-1617]. Эта схема близка к схеме предлагаемого устройства по структуре и функциональным возможностям и выбрана в качестве прототипа.
Прототип содержит корпус, выполненный с возможностью крепления на проводе ВЛ, и размещенные в корпусе трансформатор, сердечник которого охватывает провод ВЛ, а вторичная обмотка шунтирована нормально-замкнутым контактом выключателя, и подключенные к вторичной обмотке две параллельные цепи с реактивными элементами, коммутируемыми соответствующими двунаправленными тиристорными ключами.
В качестве коммутируемых реактивных элементов прототип использует катушку индуктивности (дроссель) и конденсатор.
Недостаток прототипа - повышенная масса, узкий диапазон компенсации индуктивного сопротивления ВЛ и повышенные энергетические потери.
Раскрытие сущности полезной модели
Предлагаемое устройство, как и прототип (фиг. 2), содержит корпус, выполненный с возможностью крепления на проводе ВЛ, и размещенные в корпусе трансформатор, сердечник которого охватывает провод ВЛ, выполняющий функции первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого шунтирована нормально-замкнутым контактом выключателя, и подключенные к вторичной обмотке две параллельные цепи с реактивными элементами, коммутируемыми соответствующими двунаправленными тиристорными ключами.
Кроме того, в предлагаемом устройстве, как и в схеме первого аналога, представленного на фиг. 1, вторичная обмотка трансформатора шунтирована еще одним двунаправленным тиристорным ключом.
Отличие предлагаемого МУПК состоит в том, что оба реактивных элемента в указанных параллельных цепях, коммутируемых двунаправленными тиристорными ключами, выполнены емкостными и представляют собой конденсаторы, в то время как в прототипе один из указанных реактивных элементов имеет индуктивный характер, а другой - емкостный.
Технический результат полезной модели по отношению к прототипу состоит
в уменьшении общей массы МУПК, поскольку масса конденсатора гораздо меньше массы дросселя при одинаковых прочих характеристиках МУПК;
в увеличении диапазона компенсации реактивного сопротивления ВЛ;
в уменьшении потерь энергии в МУПК.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлена схема аналога, на фиг. 2 - схема прототипа. На фиг. 3 представлено заявляемое устройство, на фиг. 4 - кривая, иллюстрирующая его работу.
Осуществление полезной модели
Предлагаемое устройство (фиг. 3) содержит корпус 1, выполненный с возможностью крепления на проводе 2 воздушной линии. В корпусе 1 размещены трансформатор 3, сердечник 4 которого охватывает провод 2. Вторичная обмотка 5 трансформатора 3 шунтирована нормально-замкнутым контактом 6 выключателя и первым двунаправленным тиристорным ключом 7. В корпусе 1 также размещены первый конденсатор 8 и второй конденсатор 9, подключенные к обмотке 5 через второй двунаправленный тиристорный ключ 10 и третий двунаправленный тиристорный ключ 11 соответственно. Кроме того, в корпусе 1 размещены датчик 12 тока в проводе 2, источник 13 питания и снабженный беспроводным интерфейсом 14 контроллер 15. К входу контроллера 15 подключен датчик 12, а к выходам - управляющие цепи выключателя с контактом 6 и тиристорных ключей 7, 10, 11.
Устройство работает следующим образом.
Источник 12, для которого первичным источником энергии является ВЛ, обеспечивает питание контроллера 15. Запрограммированный контроллер 15 управляет ключами 7, 10, 11 и нормально-замкнутым контактом 6, сравнивая показания датчика 12 с заданными уставками по току, и/или по командам централизованной системы управления, поступающим через беспроводный интерфейс 14, снабженный антенной.
МУПК может находиться в пяти состояниях (режимах).
В первом режиме контакт 6 замыкает обмотку 5 накоротко и МУПК не влияет на работу линии. Поскольку обмотка 5 трансформатора 3 короткозамкнута, сопротивление, которое МУПК вносит в линию, близко к нулю и не влияет на ее параметры.
Такой режим может устанавливаться по команде, поступающей через интерфейс 14, и/или автоматически, например, когда ток в линии недостаточен для работы источника 13, падает вследствие аварийного отключения или не превышает заданной уставки.
В этом режиме работа предлагаемого МУПК аналогична прототипу.
В остальных режимах, которым соответствует разомкнутое состояния контакта 6 и ключей 7, МУПК вносит в линию то или иное реактивное сопротивление в зависимости от состояния ключей 10 и 11, управляемых контроллером 15 (режимы продольной компенсации).
Бесконтактный ключ 7 обеспечивает, в первую очередь, быстродействие реакции МУПК на возникновение короткого замыкания (К.З.) в линии. В целях предотвращения перенапряжений на обмотке 5 она должна быть закорочена за время не более 1 мс от момента возникновения режима короткого замыкания. Для этого при показаниях датчика 12, соответствующих К.З. линии, контроллер 15 включает ключ 7 и отключает выключатель с нормально-замкнутым контактом 6. При этом сначала включается бесконтактный ключ 7, а затем замыкается контакт 6, на который переходит ток обмотки 5, поскольку контакт 6 обладает меньшим сопротивлением, чем ключ 7.
При разомкнутых ключах 10 и 11 (первый режим продольной компенсации) в линию вносится индуктивное сопротивление Хм, равное сопротивлению индуктивности намагничивания трансформатора 3.
Σ
Σ
В остальных трех режимах продольной компенсации включен один из ключей 10 или 11 или оба ключа. При этом в линию 2 вносится эквивалентное реактивное сопротивление Хэкв, определяемое (если пренебречь сопротивлениями замкнутых ключей 10 и 11) величиной Хм и суммарной емкостью С конденсаторов 8 и 9, подключенных к обмотке 5, приведенной к первичной обмотке трансформатора 3. Емкость C и индуктивность намагничивания трансформатора 3 образуют параллельный колебательный контур, входное сопротивление которого представляет собой Хэкв.
Σ
Зависимость отношения Хэкв/Хм от C показана на фиг.4.
Точкам 1-4 соответствуют следующие режимы компенсации:
1 - ключи 10 и 11 разомкнуты;
2 - ключ 10 замкнут, ключ 11 разомкнут;
3 - ключ 10 разомкнут, ключ 11 замкнут;
4 - ключи 10 и 11 замкнуты.
Σ
Σ
Как следует из фиг. 4, изменяя суммарную емкость С (путем коммутации ключей 10 и 11), можно вносить в линию 2 сопротивление как индуктивного (положительное отношение Хэкв/Хм), так и емкостного (отрицательное отношение Хэкв/Хм) характера, причем величина (модуль) вносимого сопротивления Хэкв может превышать Хм в 2-3 раза, а области больших C снижаться до значений меньших Хм.
На фиг. 5 показаны аналогичные зависимости для прототипа, где А - зависимость при отключенной дополнительной индуктивности (дросселе), В - зависимость при подключенной индуктивности (дросселе).
Точкам 1-4 на фиг. 5 соответствуют следующие режимы компенсации:
1 - оба ключа разомкнуты;
2 - к вторичной обмотке трансформатора подключена индуктивность (дроссель);
3 - к вторичной обмотке трансформатора подключена емкость;
4 - к вторичной обмотке трансформатора подключены емкость и индуктивность (дроссель).
Исходя из рассмотренных режимов работы прототипа можно сделать вывод, что режимы 1 и 2 выполняют примерно одинаковые функции, а именно вносят в линию сопротивления индуктивного характера величиной не больше Хм (в режиме 1 вносится Хм, в режиме 2 - Хэкв<Хм). При этом в режиме 2 требуется включение ключа, увеличивающее потери энергии (за счет падения напряжения на ключе и на активном сопротивлении дросселя), поэтому можно сделать вывод о том, что из возможных четырех режимов эффективными будут только три.
Из изложенного следует, что заявляемое устройство обеспечивает достижение указанного выше технического результата по отношению к прототипу, поскольку при меньшей массе (за счет замены дросселя с магнитным сердечником на конденсатор) имеет более широкий диапазон компенсации реактивного сопротивления провода ВЛ и меньшие потери энергии.