Способ и устройство снижения потерь электроэнергии
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING POWER LOSSES

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных установках с силовыми трансформаторами, источниках питания от сети переменного тока, в частности в трансформаторных подстанциях, работающих с большими колебаниями нагрузки во времени, когда снижение потерь холостого хода имеет большое значение.
Известен способ снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов в трансформаторных подстанциях (ТП) путем периодического отключения одного из трансформаторов (К.К. Волчков, В.А. Козлов. Эксплуатация сооружений городской электрической сети. - 2-е изд. перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. С 265-271).
Основными недостатками известного способа являются: снижение надежности работы системы и качества поставляемой энергии при быстрых увеличениях нагрузки, невозможность его применения при случайно изменяющейся нагрузке.
Прототипом предложенного способа является способ (патент RU 2224344) снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов посредством управления моментом включения их на нагрузку, содержащей два трансформатора разной мощности, подключенные через силовые выключатели с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий всю нагрузку к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, отличающийся тем, что в процессе изменения режимов работы трансформаторов управление моментом включения трансформаторов на нагрузку осуществляется нечетким логическим контроллером, на который поступают сигналы тока с датчика мощности и дифференциатора, пропорциональные мощности нагрузки и ее производной, и сигналы тока с датчиков положения контактов силовых выключателей с приводами и который формирует величины временных регулируемых задержек на срабатывание приводов силовых выключателей трансформаторов в зависимости от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов выключателей, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.
Прототипом предложенного устройства является устройство (патент RU 2224344) для снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции, содержащее два трансформатора разной мощности, подключенные через четыре силовых выключателя с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий ее к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит нечеткий логический контроллер, датчики положения контактов силовых выключателей с приводами и дифференциатор сигнала мощности, выходы которых соединены с входами нечеткого логического контроллера, выход датчика мощности подключен к входу нечеткого логического контроллера и к входу дифференциатора, а выходы нечеткого логического контроллера соединены с приводами силовых выключателей, при этом нечеткий логический контроллер формирует функциональную зависимость моментов срабатывания силовых выключателей с приводами от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов силовых выключателей с приводами, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.
Основным недостатком прототипа является низкая реальная эффективность и надежность. Это обусловлено необходимостью выполнения большого числа переключений на выходах и, особенно, на высоковольтных входах каждого из трансформаторов, при одновременно больших значениях напряжений и токов, что практически ограничивает его широкое применение, в частности в сетях высокого напряжения. Стоимость выключателей для больших значений напряжений и токов больше стоимости трансформаторов, а их совокупная надежность меньше чем у трансформаторов.
Кроме того, предложенный способ и устройство не могут использоваться при значениях реактивной Q, составляющей 10-20% полной мощности S нагрузки. Например, переключение нагрузки с трансформатора меньшей мощности, на трансформатор большей мощности с допустимыми максимальными мощностями P1 и P2 при (10P1=P2), по результатам измерения активной мощности, должно происходить при пороге 0,85 P1, тогда при |Q|=|2⋅P1|«|P1+P2| трансформатор меньшей мощности будет работать в режиме не допустимой перегрузки, несмотря на относительно малые активную в 0,1 P1 и реактивную Q=0,2⋅P2 составляющие нагрузки, так как , но подключаться второй трансформатор не будет, пока активная составляющая меньше порогового уровня пороге 0,85 P1.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа, заключается в повышении надежности, расширении диапазона рабочих напряжений, снижении потерь энергии для нагрузок различных по величине и характеру.
Требуемый технический результат обеспечивается следующим образом.
1. Способ снижения потерь электроэнергии, заключающийся в дискретном изменении режимов работы трансформаторов, отличающийся тем, что сравнивают ток, потребляемый нагрузкой от источника электроэнергии, с заданным значением, режимы работы трансформаторов изменяют замыканием или размыканием их входов, выходов, в зависимости от результатов сравнения, входы трансформаторов соединяют последовательно, а напряжение на нагрузке получают сложением выходных напряжений обоих трансформаторов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если потребляемый ток меньше заданного значения, то задают равные токи по входам первого и второго трансформаторов, если потребляемый ток больше или равен заданному значению, то устанавливают нулевые значения входного тока и выходного напряжения первого трансформатора.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если при увеличении потребляемый ток становится больше или равен заданному значению, то сначала замыкают выход, а затем вход первого трансформатора, если при уменьшении потребляемый ток становится меньше заданного значения, то сначала размыкают вход первого трансформатора, а затем размыкают его выход.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если при увеличении потребляемый ток становится больше или равен заданному значению, то сначала размыкают выход второго трансформатора, затем замыкают выход первого трансформатора, а потом замыкают его вход, если при уменьшении потребляемый ток становится меньше заданного значения, то сначала размыкают вход первого трансформатора, затем размыкают выход первого трансформатора, а потом замыкают вход второго трансформатора.
Заявляемый способ осуществляется заявляемым устройством, технический уровень которого известен из патента RU 2224344. Требуемый технический результат обеспечивается за счет новых связей входов и выходов трансформаторов с источником электроэнергии, нагрузкой и выключателями.
5. Устройство для снижения потерь электроэнергии, содержащее два трансформатора разной мощности, входной и выходной блоки выключателей, блок преобразователей тока, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блоков выключателей, отличающееся тем, что соответствующие входы обоих трансформаторов соединены последовательно друг с другом, соответствующие выходы обоих трансформаторов соединены последовательно друг с другом и соответствующей нагрузкой, а входной и выходной блоки выключателей содержат выключатели, подключенные параллельно входам и выходам первого трансформатора, блок преобразователей тока, выход которого связан с входом блока управления, а вход включен через трансформаторы между источником электроэнергии и нагрузкой.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что выходной блок выключателей содержит выключатели, подключенные параллельно выходам второго трансформатора.
7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что блок управления содержит элементы пороговые, задержки, логические И и ИЛИ, выход порогового элемента соединен с входом первого элемента задержки и первыми входами логических элементов И и ИЛИ, выход первого элемента задержки соединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторыми входами логических элементов И и ИЛИ.
8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что входной и выходной блоки выключателей содержат выключатели, подключенные параллельно входам и выходам второго трансформатора.
9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что блок преобразователей тока выполнен с гальванически разделенными суммирующими входами, каждый из которых включен последовательно с соответствующими частями нагрузки и выходами трансформаторов.
10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что блок преобразователей тока, блок управления, входной и выходной блоки выключателей разделены на несколько групп, образующих автономные системы управления, в каждой из которых блок управления одной группы соединен с управляющими входами выключателей только этой группы.
11. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждый вход блока преобразователей тока включен последовательно с соответствующими входами трансформаторов.
12. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждый вход блока преобразователей тока включен последовательно с соответствующими выходами трансформаторов.
Схема устройства для снижения потерь электроэнергии приведена на фигуре 1, где введены следующие обозначения 1, 2 - первый и второй трансформаторы, 3 и 4 - входной и выходной блоки выключателей, 5 - нагрузка, 6 - блок преобразователей тока, 7 - блок управления, 8 - источник напряжения.
и
Принцип действия устройства по фигуре 1 следующий. Ток I от источника напряжения 8 течет через входы (входные обмотки) трансформаторов 1 и 2. Входные и выходные токи трансформаторов связаны постоянным коэффициентом, определяемым с приемлемой точностью отношением числа витков входных и выходных обмоток. Поэтому независимо от того на входе или на выходе трансформаторов подключен блок преобразователей тока, принцип действия остается неизменным.
и
п
п
Если I>I, где I пороговый уровень входного тока, приведенный к входам трансформаторов, то сигнал от блока преобразователей тока 6 устанавливает блок управления 7 в состояние, при котором выключатели в составе входного и выходного блоков 3 и 4, соединенные параллельно входу и выходу трансформатора 1, замыкаются, поэтому
н
и
2
где U - напряжение на нагрузке 5; U - напряжение источника напряжения 8; k - коэффициент передачи трансформатора 2.
н
и
н
2
н
п
и
При убывании I, например из-за увеличения сопротивления нагрузки 5, ток I=I⋅k источника 8 убывает. Если I≤I, то блок преобразователей тока 6 воздействует на блок управления 7, который размыкает выключатели в составе входного и выходного блоков 3 и 4, в результате I будет протекать через входы трансформаторов 1 и 2. При любом допустимом соотношении мощностей для трансформаторов 1 и 2 справедливы соотношения
1
где k - коэффициент передачи трансформатора 1;
1
2
U и U - напряжения на входах трансформаторов 1 и 2.
1
2
При k=k=k напряжение на нагрузке 4 будет равно
то есть напряжение на нагрузке 4 не изменяется при изменении режимов работы трансформаторов 1 и 2 из-за переключения выключателей в блоках 3 и 4.
1
2
1
2
и
и
Однако потери холостого хода при малых нагрузках уменьшатся за счет того, что мощность холостого хода пропорциональна квадрату индукции в сердечнике, или квадрату напряжения на входе трансформатора. Например, если P≤10P, где P и P - номинальные мощности трансформаторов 1 и 2, то при размыкании выключателей на входе и выходе трансформатора 1 большая часть U придется на вход трансформатора 1 и много меньшая часть U придется на вход трансформатора 2. Индукция в сердечнике трансформатора 1 хотя и будет близка к номинальной, однако из-за того, что объем этого сердечника его много меньше, чем объем сердечника трансформатора 2, то и потери в нем будут много меньше.
Таким образом, при большой нагрузке от 10 до 100% от номинальной для трансформатора 2, когда относительные потери холостого хода малы, используется трансформатор 2, а при нагрузке менее 10% основная часть энергии на нагрузку передается с высоким КПД через трансформатора 1, для которого такая нагрузка близка к номинальной.
В основе блока преобразователей тока 6 может использоваться типовой преобразователь тока с одним или несколькими с гальванически разделенными входами и цифровым или аналоговым выходом, например по действующему значению.
Блок управления 7 может быть выполнен, как и для прототипа, на основе контроллера, либо на основе нескольких типовых логических схем и порогового элемента, с заданным порогом срабатывания.
a
Схема блока управления 7, соответствующая п. 7 формулы изобретения, приведена на фиг. 2, где обозначено 9 - пороговый элемент с заданным порогом срабатывания, 10, 11 - схемы задержки прямоугольных импульсов на время τ, 12 и 13 логические схемы ИЛИ и И соответственно. На фиг. 3 и фиг. 4 приведены диаграммы сигналов, поясняющие работу устройств, приведенных на фиг. 1 и фиг. 2. Диаграммы фиг. 3 ), соответствуют.
a
и
1
1
1
На фиг. 3 показаны: ) зависимость тока I источника напряжения 8 от времени: b) и c) зависимости входного тока I и входного напряжения U для трансформатора 1 от времени; d) зависимость входного напряжения U для трансформатора 2 от времени.
и
a
b
c
m
m
b
a
a
a
a
На фиг. 4 приведены выходные сигналы элементов 9-13 при изменении тока I, как показано на фиг. 3: ) выходной сигнал x на выходе компаратора 9; b) и c) выходные сигналы x и x на выходах схем задержки 10 и 11; f) выходной сигнал  на выходе схемы ИЛИ 12; m) выходной сигнал x на выходе схемы И 13. Сигналы x, , x, x используются для управления выключателями. При выполнении устройства согласно п 2 и п. 5 формулы изобретения для управления выключателями входного и выходного блоков выключателей достаточно использовать сигнал x, диаграммы b, c и d на фиг. 3 соответствуют этому варианту реализации.
b
m
Для выполнения устройства согласно п. 3 и п. 5 формулы изобретения, когда требуется очередность срабатывания выключателей, для управления выключателями входного и выходного блоков 3 и 4 на фиг. 1 достаточно использовать сигналы x и x.
b
m
Для выполнения устройства, согласно п. 4 и п. 6 формулы изобретения, когда требуется дополнительно снизить потери в трансформаторе 2, требуется также управление выключателями на выходе трансформатора 2 с задержкой. Управление выключателями входного и выходного блоков 3 и 4 на фиг. 1 обеспечивается с использованием сигналов x,  и инверсного значения сигнала x.
Выключатели в цепи высокого напряжения в этом случае работают в режиме почти нулевого тока при высоком напряжении и почти нулевого напряжения при большом токе, что существенно повышает надежность работы и упрощает реализацию, позволяет расширить диапазон входных напряжений.
При наличии разделенных нагрузок, в том числе рассчитанных на разные напряжения, устройство реализуется согласно п. 9 формулы изобретения.
Реализации многофазного устройства соответствует п. 10 формулы изобретения и его варианты п. 11 и п. 12 формулы изобретения.
В случае многофазной системы естественно, что источник напряжения 8, нагрузка 5, трансформаторы 1,2 также являются многофазными, поэтому входы первого и второго трансформаторов 1 и 2, разделены на отдельные фазы (группы).
С целью повышения надежности устройства при различном сочетании фазных нагрузок реализуется автономная система управления по каждой фазе на основе одной группы элементов, каждый из которых является частью блоков 3, 4, 6, 7. Для каждой фазы и устройства в целом связи между элементами в любом случае соответствуют фиг. 1, п. 1, п. 5 и некоторым другим из формулы изобретения, в зависимости от требований к реализации и условий эксплуатации.
Предложенные способ и устройство, по сравнению с прототипом, позволяют расширить диапазон изменения реактивных составляющих нагрузки, в котором обеспечивается работоспособность, повысить надежность и предельно упростить реализацию, так как требуется меньшее (примерно в 2 раза, за исключением п. 8 формулы изобретения) количество выключателей, особенно на высоковольтном входе.
Предпочтительной областью применения являются системы с трансформаторами, работающие с большими колебаниями нагрузки во времени, когда снижение потерь холостого хода имеет большое значение.