РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Регулируемый источник реактивной мощности относится к области электротехники и может быть использован, например, в электрической сети для стабилизации напряжения и повышения пропускной способности сети путем компенсации реактивной мощности.
Известны регулируемые источники реактивной мощности, используемые в электрических сетях (Патенты Российской Федерации RU 2217830, RU 2217831, RU 2282911, RU 2335026, RU 2410785; рис.1 на стр.62, рис.1 на стр.120, рис.1 на стр.225 и рис.2 на стр.251 в книге «Управляемые подмагничиванием электрические реакторы». Сб. статей. Под ред. доктора техн. наук. проф. A.M.Брянцева. - М.: «Знак». 2004; рис.7 на стр.20 и рис.32 на стр.94 в книге Долгополов А.Г. «Релейная защита управляемых шунтирующих реакторов», М., НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2011).
Наиболее близким прототипом к заявленному решению является устройство - регулируемый источник реактивной мощности (Долгополов А.Г. «Релейная защита управляемых шунтирующих реакторов», М., НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2011, рис.6, стр.18). Указанный регулируемый источник реактивной мощности (ИРМ), в качестве которого используется управляемый подмагничиванием трехфазный шунтирующий реактор (УШР), позволяет плавно регулировать потребляемую из сети реактивную мощность и стабилизировать напряжение сети, при этом повышать пропускную способность сети и снижать потери мощности в сети и трансформаторах подстанции. УШР содержит электромагнитную часть, два регулятора насыщения (основной и резервный), систему управления. Электромагнитная часть реактора содержит магнитопровод с шестью стержнями по два на каждую фазу сети, каждые два соседних стержня охвачены сетевой обмоткой, на каждом стержне расположены секционированные обмотки управления и секционированные компенсационные обмотки. Каждый из двух регуляторов насыщения содержит питающий трансформатор, мостовой управляемый преобразователь с тиристорами, а также вход по переменному току и выход постоянного тока, соединенный с обмоткой управления. Недостатком прототипа - известного ИРМ - являются сниженные функциональные возможности, т.к. этот ИРМ может компенсировать только ограниченную реактивную мощность сети. Еще одним недостатком известного устройства является сниженная надежность из-за того, что в работе находится только один регулятор насыщения, при его повреждении и выводе его для ревизии или в ремонт необходимо отключать ИРМ от сети. Недостатком известного ИРМ является также возникновение уравнительных токов между трансформаторами регулятора насыщения через параллельные ветви полупроводникового преобразователя, а также увеличенные потери из-за работы только одного регулятора насыщения.
Технический результат предлагаемой полезной модели: расширение функциональных возможностей за счет введения в схему трехфазной батареи конденсаторов с токоограничивающими реакторами (БСК) и трехфазного выключателя, увеличивающих диапазон регулирования реактивной мощности ИРМ, повышение надежности и эффективности за счет оптимизации схемы питания регуляторов насыщения, исключающей возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя и уменьшающей потери электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в регулируемый источник реактивной мощности, содержащий трехфазный управляемый подмагничиванием реактор с электромагнитной частью, два регулятора насыщения, имеющих вход по переменному току и выход постоянного тока, систему управления, причем электромагнитная часть содержит магнитопровод с шестью стержнями по два на каждую фазу сети, каждые два соседних стержня охвачены сетевой обмоткой, на каждом стержне расположены секционированные обмотки управления и секционированные компенсационные обмотки, каждые две секции компенсационной обмотки и каждые две секции обмотки управления в каждой фазе соединены последовательно, компенсационные обмотки фаз соединены в треугольник, каждый регулятор насыщения содержит трехфазный мостовой управляемый преобразователь с тиристорами, питающий трансформатор, в источник введены трехфазная батарея конденсаторов с токоограничивающими реакторами и трехфазный выключатель, в каждый регулятор насыщения введен однофазный трансформатор начального подмагничивания. Батарея конденсаторов с токоограничивающими реакторами и трехфазный выключатель подсоединены к вводам компенсационной обмотки. Каждый питающий трансформатор выполнен однофазным, при этом первичные обмотки двух питающих трансформаторов соединены с разными фазами упомянутого треугольника, а каждая вторичная обмотка питающего трансформатора соединена с одной фазой мостового управляемого преобразователя, другая фаза последнего соединена с первичной обмоткой трансформатора начального подмагничивания. Первичные обмотки двух трансформаторов начального подмагничивания имеют входные клеммы для подсоединения к двум разным фазам трехфазной сети.
Как видно из вышеизложенного, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, отличными от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию «новизна».
В результате проведенного поиска и последующего сопоставительного анализа совокупность признаков, отличающая предлагаемое техническое решение от прототипа, в известном устройстве не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «существенные отличия».
Введение в схему трехфазной БСК позволяет ИРМ не только принимать, но и выдавать в сеть реактивную мощность. Закорачивание компенсационной обмотки введенным в схему выключателем позволяет кратковременно увеличить вдвое мощность УШР, т.е. увеличить диапазон регулирования реактивной мощности ИРМ. Применение в каждом регуляторе насыщения однофазных питающих трансформаторов и однофазных трансформаторов начального подмагничивания, а также схема соединения их обмоток, повышает надежность работы за счет исключения уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя и за счет равномерного распределения токовой нагрузки в тиристорах мостовых преобразователей.
Существенными признаками, которые входят в формулу технического решения, являются следующие. Во-первых, в схему введена трехфазная БСК, подключенная к вводам компенсационной обмотки. Во-вторых, в схему введен трехфазный выключатель, соединенный с вводами компенсационной обмотки. В-третьих, в ИРМ введены однофазные трансформаторы начального подмагничивания, подсоединенные к двум разным фазам трехфазной сети. В-четвертых, каждый питающий трансформатор выполнен однофазным. В-пятых, первичные обмотки двух питающих трансформаторов соединены с разными фазами упомянутого треугольника. В-шестых, каждая вторичная обмотка питающего трансформатора соединена с одной фазой мостового управляемого преобразователя, при этом другая фаза последнего соединена с вторичной обмоткой трансформатора начального подмагничивания.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема ИРМ, и на фиг.2 - вид сверху в сечении на электромагнитную часть УШР, входящего в состав ИРМ.
ИРМ содержит УШР с электромагнитной частью 1, два регулятора насыщения 2 и 3, систему автоматического управления 4, батарею конденсаторов с токоограничивающими реакторами БСК 5 и трехфазный выключатель 6.
1
КО
КО
КО.
2
Электромагнитная часть УШР 1 содержит магнитопровод с шестью стержнями 7-12 по два на каждую фазу сети. Каждые два соседних стержня 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 охвачены тремя фазами сетевой обмотки 13, 14 и 15. Сетевые обмотки соединены в звезду с нулем и имеют фазные вводы А, В и С и ввод нейтрали 0. На каждом стержне 7-12 расположены секции обмотки управления 16 и 17, 18 и 19, 20 и 21 и секции компенсационной обмотки 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27. Каждые две секции компенсационной обмотки и каждые две секции обмотки управления в каждой фазе соединены последовательно. Компенсационные обмотки фаз соединены в треугольник, имеющий вводы А, В и СОбмотки управления соединены параллельно и имеют вводы «+» и «-». В электромагнитной части к вводам обмотки управления подключена цепочка из двух последовательных гасящих сопротивлений R, средняя точка цепочки имеет ввод 0 для заземления.
Каждый из двух регуляторов насыщения 2 и 3 содержит мостовой полупроводниковый управляемый тиристорный преобразователь 28 и 29, имеющий входы по переменному току и выходы по постоянному току.
1
КО
КО
П1
П2
2
КО
КО
П2
П2
Однофазный питающий трансформатор 30 моста 28 первичной обмоткой через предохранитель Пp подсоединен к одной фазе треугольника переменного напряжения компенсационной обмотки - вводам В и С, а вторичной обмоткой - к вводам моста в и с. Такой же однофазный питающий трансформатор 31 моста 29 подключен через предохранитель Пр к другой фазе напряжения компенсационной обмотки - вводам А и В, а вторичной обмоткой - к вводам моста в и с.
П2
П2
П2
П2
Однофазный трансформатор начального подмагничивания 32 регулятора насыщения 2 первичной обмоткой подсоединен к одной фазе трехфазной сети а и в, а вторичной - к вводам моста а и в. Такой же однофазный трансформатор начального подмагничивания 33 регулятора насыщения 3 первичной обмоткой подсоединен к другой фазе трехфазной сети в и с, а вторичной - к вводам моста а и в. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформаторов начального подмагничивания 32 и 33 может быть подключен токоограничивающий реактор (на схеме не показан).
Выходы по постоянному току регуляторов насыщения 2 и 3 соединены с вводами «+» и «-» обмотки управления электромагнитной части 1. Эти вводы зашунтированы разрядником 34 для защиты реактора от перенапряжений.
Система управления 4 питается от сетей трехфазного переменного тока и постоянного тока. Система получает информацию от измерительных и защитных трансформаторов тока и напряжения (на схеме не показаны) и передает управляющие импульсы на тиристоры преобразователей, приводы выключателей и сигналы в схему релейной защиты.
КО
КО
КО
К вводам компенсационной обмотки А, В и С подсоединена через трехфазный выключатель 35 БСК 5 с конденсаторами 36-38 и последовательно соединенными с ними токоограничивающими реакторами 39-41.
КО
КО
КО.
Трехфазный выключатель 6 подсоединен к вводам компенсационной обмотки А, В и С
Регулируемый источник реактивной мощности ИРМ работает следующим образом.
В стационарных режимах работы ИРМ подключен к высоковольтной трех фазной сети вводами А, В и С и к низковольтным сетям переменного и постоянного тока.
При углах зажигания тиристоров, задаваемых системой управления 4 преобразователи 28 и 29 в регуляторах насыщения 2 и 3 подают на вводы «+» и «-» обмотки управления УШР 1 постоянное напряжение. При этом происходит намагничивание сердечников 7-12 УШР, обеспечивающее различные режимы работы УШР и ИРМ:
1) режим, когда ИРМ не выдает в сеть никакой реактивной мощности - в этом режиме мощность БСК 5 компенсируется мощностью УШР 1,
2) режим минимальной реактивной мощности, которую потребляет ИРМ - в этом режиме УШР находится в режиме холостого хода, а БСК 5 отключена,
3) режим номинальной мощности УШР 1 при отключенной БСК 5,
4) режим максимальной мощности ИРМ и УШР 1 при отключенной БСК 5,
5) режим работы с закрытыми тиристорами, при этом подмагничивание стержней отсутствует, и УШР 1 работает в режиме, аналогичном режиму холостого хода трансформатора, и ИРМ выдает в сеть полную реактивную мощность БСК 5,
6) режим кратковременного форсированного набора и сброса мощности,
7) любые промежуточные режимы.
Алгоритм, заложенный в систему автоматического регулирования, устанавливает необходимый режим ИРМ в зависимости от уставки напряжения, которое необходимо стабилизировать в сети, с учетом данных измерительных трансформаторов напряжения и тока.
В переходных режимах система автоматического регулирования 4 устанавливает углы регулирования тиристоров преобразователей 28 и 29 регуляторов насыщения 2 и 3, обеспечивающие кратковременное максимальное напряжение подмагничивания, необходимое для форсированного перехода от одного режима к другому при наборе или сбросе мощности, обеспечивая заданное быстродействие реактора. В режиме холостого хода быстродействие перехода к номинальной мощности обеспечивается предварительным подмагничиванием при питании преобразователей от маломощных трансформаторов предварительного подмагничивания. При срабатывании выключателей 35 возникают пусковые токи включения конденсаторов 36-38, их снижение обеспечивается токоограничивающими реакторами 39-41.
Входящий в состав ИРМ управляемый подмагничиванием реактор УШР 1 - это нелинейная индуктивность, генерирующая в сеть высшие гармоники. Гармоники, кратные трем, - наиболее выраженные в токе реактора при 50-60% номинальной мощности УШР - замыкаются в треугольнике компенсационной обмотки и в сеть не выходят. Другие высшие гармоники снижаются благодаря включенной БСК 5, которая является одновременно и источником реактивной мощности, и широкополосным LC-фильтром высших гармоник.
КО
КО
КО
Для безинерционного перехода в кратковременный режим максимальной мощности, обычно порядка двойной мощности по отношению к номинальной, в схеме реактора предусмотрен трехфазный выключатель 6, замыкающий накоротко вводы компенсационной обмотки А, В и С. При таком замыкании УШР 1 мгновенно переходит в режим короткозамкнутого трансформатора с повышенной мощностью в этом режиме.
1
2
Расширение функциональных возможностей предлагаемого ИРМ происходит за счет расширения диапазона регулируемой реактивной мощности из-за введения в схему БСК 5 и выключателя 6, закорачивающего компенсационную обмотку УШР. Повышенная надежность и эффективность работы по сравнению с прототипом обеспечивается комплексом предложенных отличительных признаков. Беспрерывная работа устройства обеспечивается тем, что два регулятора насыщения 2 и 3 включены постоянно. При отключении одного из них для ревизии или ремонта, а также при срабатывании одного из предохранителей Пр и Пp, например, по причине аварийного выходе из строя одного из регуляторов насыщения, оставшийся регулятор может длительно работать. Параллельная работа одновременно двух регуляторов обеспечивает снижение мощности потерь по сравнению с работой одного регулятора примерно в два раза. При выполнении питающих трансформаторов 30 и 31 и трансформаторов начального подмагничивания 32 и 33 однофазными с подключением их первичных обмоток к разным фазам трехфазного напряжения отсутствуют уравнительные токи между трансформаторами через параллельные ветви мостовых полупроводниковых преобразователей и исключается паразитное взаимное влияние регуляторов насыщения. Кроме того, постоянно подключенные к разным фазам низковольтной сети трансформаторы начального подмагничивания 32 и 33 обеспечивают равномерное распределение токов между тиристорами мостовых преобразователей, что повышает надежность и снижает потери мощности.
Предлагаемое устройство исследовано на математических и физических моделях и опытных образцах управляемых шунтирующих реакторов 110-500 кВ. Эти исследования и эксперименты показали эффективность и работоспособность регулируемого источника реактивной мощности.