УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ
DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER IN HIGH-VOLTAGE NETWORKS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для компенсации реактивной мощности (РМ) в высоковольтных электрических сетях напряжением 6-35 кВ с переменной нелинейной нагрузкой.
Коэффициент мощности электроустановки можно повысить, если установить в цепи дополнительный источник реактивной энергии, компенсирующий реактивную энергию основной нагрузки. Источниками реактивной энергии могут служить различные устройства, но наиболее распространенными являются фазокомпенсаторы и шунтирующие конденсаторы (параллельно подключенные), или последовательно подключенные конденсаторы в линиях электропередачи.
Наиболее часто применяются конденсаторы, поскольку они:
- не потребляют активной энергии;
- имеют низкую стоимость;
- просты в эксплуатации;
- имеют длительный срок службы;
- почти не нуждаются в техническом обслуживании (в связи с отсутствием движущихся частей).
Существующие высоковольтные конденсаторные установки со ступенчатым регулированием недостаточно эффективны по следующим причинам:
- небольшое число ступеней регулирования (как правило, менее 4-х);
- высокая стоимость высоковольтных вакуумных контакторов;
- отсутствие защиты от влияния высших гармоник на работу конденсаторов.
Увеличение числа ступеней регулирования высоковольтных конденсаторных установок до 6-ти и наличие защиты от высших гармоник по опенкам производителей подобных установок приводит к росту их стоимости в 1,5-2 раза. Также коммутация конденсаторных установок с помощью контакторов сопровождается появлением коммутационных перенапряжений, что снижает срок эксплуатации конденсаторов.
Использование конденсаторных установок с тиристорным регулированием позволяет обеспечить плавное регулирование реактивной мощности, однако при данном способе регулирования на вводах конденсаторной установки генерируются высшие гармоники тока, которые вызывают преждевременный выход из строя конденсаторных установок за счет термического воздействия. Поэтому конденсаторные установки с тиристорным регулированием необходимо эксплуатировать совместно с активными фильтрами, что неминуемо ведет к росту стоимости и снижению эксплуатационной надежности установки.
Известно устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети [патент РФ №2561192 МПК H02J 3/18, от 26.03.20141, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, трансформатор напряжения, n батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов, каждый из которых включает m контакторов, также введены n батарей подстроечных косинусных конденсаторов, каждая из которых включает k подстроечных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков коммутаторов, каждый из которых включает k коммутаторов, контроллер, n анализаторов гармонического состава сигнала, при этом суммарную емкость С∑бп в каждой из n батарей подстроечных конденсаторов выбирают из соотношения С∑бп=Ск, где Ск - емкость единичного конденсатора в каждой из n батарей косинусных конденсаторов, где n, m, k>/=1.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности плавного регулирования РМ, а также наличие дополнительной защиты от воздействия высших гармоник в виде анализаторов гармонического состава сигнала приводит к удорожанию устройства и усложнению его конструкции.
Наиболее близким техническим решением является известный источник реактивной мощности (ИРМ) [патент РФ №2410786, МПК H01F 29/14, от 18.01.20101, содержит трехфазную конденсаторную батарею, выполненную из подключенных через выключатели секций, трехфазный, управляемый подмагничиванием реактор (УШР) с шестью стержнями, причем стержни охвачены сетевыми обмотками, подключенными к сети высокого напряжения, и разделенными на части обмотками управления, фильтры высших гармоник, управляемый выпрямитель, ввод для заземления, систему автоматического управления. При этом части обмоток управления включены в открытые двойные треугольники и соединены с трансформатором питания управляемого выпрямителя и фильтрами высших гармоник. Отличие от известных устройств заключается в том, что введена вторая трехфазная конденсаторная батарея, два открытых двойных треугольника частей обмоток управления соединены последовательно, общая точка последовательно соединенных двойных открытых треугольников подключена к вводу для заземления, а вторая трехфазная конденсаторная батарея подсоединена к обмоткам управления.
Положительной отличительной особенностью известного ИРМ, принятого за прототип, является возможность компенсации РМ с плавным регулированием.
Однако недостатками такого ИРМ являются высокая стоимость, значительные габаритные размеры и сложность конструкции, что обусловлено наличием в составе устройства фильтров высших гармоник, а также тем фактом, что известное устройство подключается непосредственно к линейным проводам высоковольтной сети, в связи, с чем отсутствует возможность использования низковольтных конденсаторов и катушек индуктивности.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности и экономичности устройства для автоматической компенсации РМ с плавным регулированием, используемого в n-фазных высоковольтных электрических сетях с переменной нелинейной нагрузкой, при одновременном обеспечении защиты компенсирующего устройства от воздействия высших гармоник.
Данная техническая задача решается за счет того, что в устройство для компенсации РМ в высоковольтных сетях, содержащее автоматически регулируемую компенсирующую установку, подключенную соответствующими выводами к вторичной обмотке силового трансформатора, три низковольтных косинусных конденсатора с соединением по схеме треугольник в компенсирующей установке, блок регулирования РМ на базе программируемых электронных контроллеров, подключенный к высоковольтной сети через трансформатор тока и трехфазный измерительный трансформатор напряжения, введены три низковольтные регулируемые катушки индуктивности. Упомянутые катушки подключены параллельно к соответствующим косинусным конденсаторам и входам блока регулирования. Силовой трансформатор напряжения, мощность которого не превышает 1000 кВА, позволяет защитить косинусные конденсаторы и катушки индуктивности от воздействия высших гармоник тока и напряжения, присутствующих в высоковольтной сети. Выводы первичной обмотки трансформатора подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к компенсирующей установке.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого изобретения. В состав изобретения входят следующие элементы: компенсирующая установка 1, состоящая из первой нерегулируемой ступени в виде косинусных конденсаторов 2 с соединением треугольником и регулируемых катушек индуктивности 3, подключенных параллельно конденсаторам, блок регулирования РМ 4, подключенный к высоковольтной сети через трансформатор тока 5 и трехфазный измерительный трансформатор напряжения 6, силовой трансформатор напряжения 7 с соединением обмоток звезда-треугольник.
Изобретение работает следующим образом.
Для управления компенсацией РМ используется блок регулирования РМ 4, подключенный к высоковольтной сети через трансформатор тока 5 и трехфазный измерительный трансформатор напряжения 6. С помощью трансформатора тока 5 определяется действующий ток в сети, с помощью трехфазного измерительного трансформатора напряжения 6 определяется действующее значение напряжения. На блок регулирования РМ 4 поступают измеренные сигналы тока и напряжения. После замера тока и напряжения блок регулирования РМ 4 определяет угол фазового сдвига между током и напряжением, учитывая, что коэффициент мощности соответствует косинусу угла фазового сдвига, блок регулирования РМ 4 определяет текущее значение коэффициента мощности и сравнивает его с установленными допустимыми значениями. Eсли текущее значение коэффициента мощности не соответствует допустимому значению, блок регулирования РМ 4 подает сигнал на компенсирующую установку 1 для увеличения или уменьшения индуктивности с помощью регулируемых катушек индуктивности 3, которые позволяют плавно регулировать значение РМ и тем самым исключить появление коммутационных перенапряжений, которые снижают срок службы низковольтных косинусных конденсаторов 2 и катушек индуктивности 3. Так если текущее значение коэффициента мощности больше допустимого значения, режим перекомпенсации, индуктивность компенсирующей установки 1 увеличивается, что приводит к снижению индуктивного тока и росту результирующего емкостного тока. Если же текущее значение коэффициента мощности меньше допустимого значения, режим недокомпенсации, индуктивность компенсирующей установки 1 уменьшается, что приводит к росту индуктивного тока и снижению результирующего емкостного тока. Таким образом, блок регулирования РМ 4 стремится свести коэффициент мощности сети до допустимых значений. Исходя из данных сети, а именно максимальной составляющей РМ нагрузки, где будет производиться компенсация РМ, задается мощность первой нерегулируемой ступени в виде косинусных конденсаторов 2 компенсирующей установки 1, соединенных по схеме треугольник. Силовой трансформатор напряжения 7 трансформирует емкостную/индуктивную составляющую реактивной мощности компенсирующей установки 1 в сеть 6-35 кВ, тем самым производя компенсацию реактивной мощности в этой сети и доводя коэффициент мощности до установленных допустимых значений. Также силовой трансформатор напряжения 7 с установленной мощностью, не превышающей значение 1000 кВА, позволяет за счет сравнительно большого внутреннего индуктивного сопротивления исключить трансформацию высших гармоник во вторичную обмотку. Подключение компенсирующей установки 1 к высоковольтной сети через силовой трансформатор напряжения 7 позволяет ограничить негативное влияние высших гармоник на работу катушек индуктивности 3 и косинусных конденсаторов 2 без введения в устройство дополнительных средств защиты от высших гармоник, установка которых неминуемо приводит к усложнению и удорожанию устройства. Таким образом, устройство осуществляет компенсацию РМ в высоковольтной сети с плавным регулированием РМ, при одновременной защите компенсирующей установки 1 от воздействия негативных факторов без введения в устройство дополни тельного оборудования.
Питание функциональных блоков может осуществляться от внешнего источника бесперебойного питания, который на чертеже не показан.
Предлагаемое техническое решение экономичное, надежное, эффективное и отличается от аналогов простым исполнением, меньшими габаритами, меньшим количеством элементов при той же функциональности, отсутствием коммутационных устройств, может заменить известные устройства для компенсации РМ и уменьшения сдвига фаз, используемые в n-фазных высоковольтных электрических сетях электроснабжения с переменной нелинейной нагрузкой.