УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ УПРАВЛЯЕМЫЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР
DEVICE CONTAINING CONTROLLED GROUNDING TRANSFORMER

Настоящее изобретение относится к устройству, содержащему управляемый заземляющий трансформатор, выполненный с возможностью компенсации остаточного рабочего тока в заземлении сети переменного тока, содержащей силовой трансформатор в соответствии с вводной частью пункта 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу создания напряжения нулевой точки в сети переменного тока посредством силового трансформатора в соответствии с вводной частью пункта 6 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время передача электрической энергии главным образом осуществляется с помощью системы с трехфазным напряжением. Для выполнения основных требований к системе производство и потребление энергии в каждый момент времени должны быть сбалансированы - созданы крупные национальные сети передачи, к которым подключены все производители и потребители электрической энергии. При этом подключение национальных сетей передачи к транснациональным сетям передачи обеспечивает дополнительные преимущества в части основного требования. Одной из таких сетей передачи, например, является скандинавская сеть NORDEL.
Для снижения потерь при передаче в сетях передачи перенос энергии осуществляется при высоком напряжении, предпочтительно 400 кВ. Выдача энергии потребителям из сети передачи осуществляется через распределительные трансформаторы, каждый из которых, в свою очередь, снабжает ограниченный географический район. Распределение главным образом осуществляется при напряжении 10-30 кВ. Крупные промышленные потребители могут при этом быть связаны непосредственно с распределительной сетью, а менее крупные потребители и жилые дома снабжаются через еще одно преобразование до 400/230 В.
Ввиду своей сотовой структуры сеть передачи имеет высокую доступность. Однако слабым звеном системы передачи являются распределительные сети, имеющие структуру радиальной сети. Ошибки, возникающие в отдельной распределительной линии, могут приводить к отключению больших групп потребителей. Поэтому технология защиты от ошибок помогает улучшать доступность распределительных сетей.
В связи с этим, важно отметить, что большинство повреждений в электрической цепи возникает в результате пробоя изоляции между одной фазой и заземлением - так называемая ошибка заземления, когда передача активной мощности ограничена системой напряжений между фазами. С точки зрения защиты было бы целесообразно обрабатывать ошибки заземления по отдельности и по возможности ограничивать остаточный рабочий ток в такой степени, чтобы можно было избежать отсоединения линии.
Наиболее успешная концепция защиты основана на этом основном принципе, разработанном уже в 1917 г. Вальдемаром Петерсеном. Благодаря подключению нулевой точки трехфазной системы к заземлению через индуктивность, имеющую емкость согласованной цепи - так называемую катушку Петерсена остаточный рабочий ток может быть сокращен в десять-пятьдесят раз. Такое ограничение тока обычно является достаточным для обеспечения самопогасания однофазных дуг, которые составляют основную часть помех в сетях воздушных линий.
В настоящее время в скандинавских и других европейских распределительных сетях преобладает резонансное заземление Петерсена. Эти сети имеют общую доступность, которая превосходит другие сравнимые распределительные сети, в которых имеются альтернативные концепции заземления системы.
При осуществляющемся переводе распределительных сетей из воздушных сетей в подземные кабельные сети остаточные рабочие токи увеличиваются в 30-50 раз из-за более высокой емкости кабеля, которая двояко влияет на резонансное заземление Петерсена: с одной стороны, эффект самопогасания уменьшается в остальной воздушной линии при увеличении остаточного рабочего тока при полном прекращении в конечном итоге; а с другой стороны, эффект самопогасания совершенно не работает в кабельной сети ввиду небольшого расстояния между проводом под напряжением и заземлением (экраном). Таким образом, проблемой является некомпенсированный остаточный ток.
Эта проблема была обнаружена и решена в начале 90-х. Разработанное в то время устройство для компенсации остаточного тока используется в настоящее время в качестве дополнения к катушке Петерсена, однако оно применяется также в распределительных сетях, которые вплоть до настоящего времени проектировались на основе совершенно других концепций заземления.
В противоположность катушке Петерсена, которая увеличивает только импеданс источника питания в цепи заземления, компенсация остаточного тока подавляет возбуждающее напряжение в связи с замыканиями на землю путем наложения противодействующего напряжения. Это не совсем тривиальная задача, поскольку возбуждающее напряжение лишь отчасти известно изначально.
В соответствии с теоремой Тевенина-Гельмгольца, ток замыкания определяется возбуждающим напряжением в точке замыкания, импедансом замыкания и импедансом источника питания. И наоборот: для обеспечения полного подавления возбуждающего напряжения в точке замыкания необходимо, чтобы возбуждающее напряжение подавлялось в точке замыкания, в то время как импеданс замыкания неизвестен, а импеданс источника питания может лишь частично подвергаться влиянию посредством катушки Петерсена.
Возбуждающее напряжение в местоположении замыкания представлено фазным напряжением питающего распределительного трансформатора в фазе, которая искажается замыканием на землю (известным и измеримым соответствующим образом), плюс зависящим от тока нагрузки падением напряжения между питающим трансформатором и фактическим местоположением замыкания, которое может находиться на большом расстоянии в (неизвестной) сети.
Определение последнего стало возможным благодаря разработке новой методики измерения, которая была впервые опубликована в начале 90-х (см. Winter, K., "Swedish Distribution Net-works - А New Method for Earthfault Protection in Cable - and Overhead Systems", 5th International Conference on Power Sys-tem Protection. IEE conference publication No. 368, York/UK 1993).
Остающаяся проблема - генерирование противодействующего напряжения с возможностью регулирования амплитуды и фазного угла относительно фазного напряжения распределительного трансформатора - была решена с помощью силовой электроники (инвертора с широтно-импульсной модуляцией). В настоящее время имеются опорные станции для компенсации остаточного тока в электропитающих сетях с уровнями напряжения между 6 кВ и 110 кВ.
Потребляемая мощность для компенсации остаточного тока зависит от уровня напряжения, размера сети и закономерностей ослабления. В распределительных сетях густонаселенных районов мира емкостные заземляющие токи могут составлять свыше 1000 А при некомпенсированных остаточных рабочих токах порядка 100 А и более. Потребляемая мощность для компенсации остаточного рабочего тока в такой сети может составлять значительно больше 1000 кВА.
Инверторы с такими параметрами являются относительно дорогостоящими. В настоящем изобретении предлагается более простое устройство для полной компенсации остаточного рабочего тока с целью понижения стоимости и повышения надежности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанной проблемы и создание более простого устройства для компенсации остаточного рабочего тока. Еще одной задачей является полное подавление остаточного рабочего тока. Еще одной задачей является повышение надежности компенсационного устройства и посредством этого надежности передачи активной мощности. Еще одной целью является понижение расходов на компенсацию остаточного рабочего тока.
Эти задачи решаются с помощью устройства, определяемого в вводной части пункта 1 формулы изобретения, которое отличается тем, что первичная обмотка заземляющего трансформатора подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка заземляющего трансформатора подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а устройство содержит блок, выполненный с возможностью управления переключателями ответвлений для регулирования вторичных напряжений заземляющего трансформатора в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.
Преимущество изобретения состоит в том, что число разрывов линии уменьшается, либо они могут быть полностью исключены. При этом с помощью нового устройства улучшается доступность распределительной сети. Новое устройство может быть изготовлено с низкой стоимостью и является относительно простым для установки в существующих распределительных сетях.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, заземляющий трансформатор работает в трех фазах.
Устройство в соответствии с изобретением может использоваться в различных электропитающих сетях, содержащих одно- или трехфазную систему.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к заземляющему трансформатору с целью регулирования упомянутых вторичных напряжений между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.
Устройство в соответствии с изобретением может посредством этого использоваться вместе с известными контрольно-измерительными блоками для компенсации остаточного рабочего тока.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, контрольно-измерительный блок выполнен с возможностью выбора, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, контрольно-измерительный блок выполнен с возможностью регулирования вторичного напряжения заземляющего трансформатора до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока.
Устройство в соответствии с изобретением может посредством этого использоваться вместе с известными контрольно-измерительными блоками для полной компенсации остаточного рабочего тока.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, устройство выполнено с возможностью использования параллельно катушке Петерсена с целью подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.
Устройство в соответствии с изобретением может улучшать влияние существующего компенсационного устройства путем установки параллельно устройству с катушкой Петерсена.
Задачи также решаются с помощью способа, определяемого в вводной части пункта 6 формулы изобретения, который отличается использованием устройства, содержащего заземляющий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка которого подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а устройство содержит блок, выполненный с возможностью управления переключателями ответвлений, и регулированием вторичных напряжений заземляющего трансформатора в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.
Способ в соответствии с изобретением повышает надежность компенсационного устройства. Аналогичным образом улучшается доступность.
В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к заземляющему трансформатору с целью регулирования упомянутых вторичных напряжений между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.
Задачи также решаются с помощью способа создания напряжения нулевой точки в электропитающей сети переменного тока с помощью силового трансформатора, отличающегося устройством, содержащим заземляющий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к электропитающей сети или источнику питания, синхронизированному с электропитающей сетью, а вторичная обмотка которого подключена между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем заземляющий трансформатор содержит два или более переключателей ответвлений, а блок выполнен с возможностью управления переключателями ответвлений, при этом упомянутый блок представляет собой контрольно-измерительный блок, подключенный к упомянутому заземляющему трансформатору для регулирования вторичного напряжения заземляющего трансформатора между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, причем
- контрольно-измерительный блок регулирует вторичное напряжение в отношении амплитуды и фазового угла относительно системы напряжений питающего силового трансформатора,
- контрольно-измерительный блок решает, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением, и
- контрольно-измерительный блок регулирует вторичное напряжение до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, заземляющий трансформатор работает в трех фазах.
Задачи также решаются с помощью вышеописанного устройства для компенсации остаточного рабочего тока.
Задачи подобным образом решаются с помощью устройства в соответствии с приведенным выше описанием или способа в соответствии с приведенным выше описанием параллельно катушке Петерсена для подавления некомпенсированного остаточного рабочего тока катушки Петерсена.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует однолинейную схему распределительной сети, содержащей известное устройство для компенсации остаточного рабочего тока.
Фиг. 2 иллюстрирует ту же распределительную сеть, содержащую устройство для компенсации остаточного рабочего тока в соответствии с изобретением.
Фиг. 3 иллюстрирует векторную диаграмму возбуждающего напряжения в зависимости от местоположения ошибки заземления в распределительной сети.
Фиг. 4а, b иллюстрируют принципиальную схему и векторную диаграмму трансформатора в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
2
N
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют распределительную сеть с контрольно-измерительным блоком 2 для обнаружения ошибок заземления и управления компенсационным устройством. Кроме того, изображены питающий трансформатор 3, токоприемник 4 и ряд выходных распределительных линий L, L-L с соответствующим линейным выключателем 9 на токоприемнике 4.
Передача электрической энергии обычно осуществляется с помощью трехфазной системы, однако существуют также и одно- и двухфазные системы (движение поездов). Общим знаменателем в данном случае является то, что передача полезной энергии (потребителям) определяется исключительно напряжениями между фазами. Если возникает ошибка в виде пробоя изоляции между этими фазами, рассматриваемая линия разрывается, и потребители подключаются к ней через линейный выключатель 9.
Однако большинство коротких замыканий в электрической цепи возникает между отдельной фазой и заземлением (так называемые ошибки заземления). При этом вся система смещается относительно заземления. Тем не менее, напряжения между фазами - которые определяют полезную энергию - не подвергаются влиянию.
Ток ошибки в фактическом местоположении замыкания определяется другими токами в сети (главным образом, емкостными, но также и резистивными разрядными токами). Сумма этих разрядных токов на землю - включая ток в местоположении замыкания - всегда является нулевой (первое правило Кирхгофа для разветвленной цепи). Это следует из того, что ток в местоположении замыкания может быть только нулевым, если сумма всех остальных токов является нулевой.
Назначение компенсационного устройства на фиг. 1 и 2 состоит в создании этого равновесия путем создания соответствующего тока между нулевой точкой электропитающей сети и заземлением.
Фиг. 1 при этом иллюстрирует известное устройство для компенсации остаточного рабочего тока, состоящее из дросселя 5 нулевой точки с вспомогательной силовой обмоткой 6 и подключенного к нему инвертора 7 для компенсации остаточного рабочего тока. Изображено также одно резервное средство для отсоединения линии 8, например, в случае замыкания в компенсационном устройстве.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство для компенсации всего остаточного рабочего тока с помощью управляемого заземляющего трансформатора 1 в соответствии с изобретением.
1-N
Контрольно-измерительный блок 2 постоянно измеряет полную проводимость Y0 нулевой последовательности на выходных линиях L и в заземлении компенсационного устройства Е. Последние результаты измерений сохраняются в памяти измерительного блока. Если обнаруживается ошибка заземления, измерение повторяется. После этого в линиях последовательно сравниваются значения Y0 до и после момента возникновения ошибки заземления.
EN
Ошибка заземления существует в линии, которая демонстрирует отклонение ΔY0 от своего безошибочного измерения. Это отклонение используется для управления компенсационным устройством. На фиг. 1 это известное устройство с инвертором 7, а на фиг. 2 это управляемый заземляющий трансформатор 1 в соответствии с изобретением. В обоих случаях между нулевой точкой N электропитающей сети и заземлением Е создается напряжение U.
EN
Если напряжение U соответствует возбуждающему напряжению в местоположении замыкания, отклонение ΔY0 и, следовательно, остаточный рабочий ток уменьшаются до нуля (теорема Тевенина-Гельмгольца).
L1
L2
L3
L1
x
x
x
x
Фиг. 3 иллюстрирует, как возбуждающее напряжение зависит от того, в какой фазе U, U или U возникло замыкание, и от местоположения замыкания А, В или С в распределительной сети. Возбуждающее напряжение представлено фазным напряжением силового трансформатора (примером которого на фиг. 3 является фазное напряжение U) и падением напряжения на линии (I х Z) между силовым трансформатором и местоположением замыкания. Падение напряжения на линии, в свою очередь, определяется собственным импедансом Z линии и токовой нагрузкой I, которая, как правило, во всех фазах имеет одинаковую амплитуду.
Как показано на фиг. 3, компенсационное устройство - с целью подавления возбуждающего напряжения в местоположении замыкания - должно создавать напряжение нулевой точки, которое может в достаточной степени регулироваться в отношении амплитуды и фазного угла относительно системы напряжений силового трансформатора.
Фиг. 4 иллюстрируют управляемый трехфазный заземляющий трансформатор 1 в соответствии с изобретением, который может создавать такое напряжение нулевой точки.
У трансформатора 1 имеются два переключателя 10а, 10b ответвлений, с помощью которых три вторичных напряжения могут регулироваться в отношении амплитуды и фазного угла α относительно системы напряжений питающего силового трансформатора 3. Трансформатор может иметь три, четыре или более переключателей ответвлений. При использовании контрольно-измерительного блока 2 в случае замыкания на землю контрольно-измерительный блок 2 выбирает, какое из вторичных напряжений должно подключаться между нулевой точкой заземляющего трансформатора и заземлением. После этого вторичное напряжение трансформатора регулируется до тех пор, пока не будет выполнено условие полной компенсации остаточного рабочего тока (ΔY0=0).
Фиг. 4b иллюстрирует векторную диаграмму для заземляющего трансформатора на фиг. 4а. Соединенная треугольником первичная обмотка создает три напряжения, сдвинутые на 120° относительно друг друга в девяти вторичных обмотках. Благодаря последовательному соединению через два трехфазных находящихся под нагрузкой переключателя ответвлений каждая из трех вторичных обмоток 11, 12 и 13 может быть соединена друг с другом таким образом, что создаются три результирующих напряжения, которые, в свою очередь, могут регулироваться в отношении амплитуды и фазы относительно системы напряжений питающего силового трансформатора.
Устройство может использоваться для полной компенсации всего остаточного рабочего тока. В соответствии с другим вариантом, устройство может также предпочтительно использоваться исключительно для компенсации остаточного тока в сетях с существующим заземлением с катушкой Петерсена.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, приведенными на чертежах, а может быть изменено в пределах объема формулы изобретения.