СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, направлена на совершенствование передающей и принимающей подстанций, предназначена для передачи постоянного тока и может найти применение в системах электроснабжения промышленных предприятий и электрического транспорта.
Надежную и экономичную передачу электроэнергии постоянным током высокого напряжения необходимо реализовать в ближайшее время. Однако в настоящее время высоковольтное трехфазное переменное напряжение мощностью до 500 Кв передается по одноцепной или двухцепной линиям электропередачи. Вследствие консервативности энергетической системы генерация трехфазного переменного напряжения будет продолжаться десятки и более лет.
В предлагаемой полезной модели разработана система надежной передачи постоянного тока большой мощности по существующим линиям передачи трехфазного переменного тока, вырабатываемого трехфазными генераторами переменного тока.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является однопроводная система передачи электроэнергии по патенту РФ №2120170, МПК H02J 1/00, 10.10.1998, содержащая электрическую станцию с однофазным генератором переменного тока, соединенные между собой высоковольтным проводом, передающую подстанцию и принимающую подстанцию с приемным устройством, при этом передающая подстанция содержит повышающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с однофазным генератором переменного тока, выпрямительное устройство, вход которого соединен с вторичной обмоткой повышающего трансформатора, а выход подключен к батарее конденсаторов, причем приемное устройство принимающей подстанции содержит высоковольтный приемный конденсатор, подключенный к высоковольтному преобразователю постоянного тока в переменный трехфазный ток, соединенному с потребителем трехфазного переменного тока и выполненному с возможностью понижения уровня переменного трехфазного напряжения до величины, необходимой потребителю трехфазного переменного тока, а высоковольтный провод соединяет положительный вывод батареи конденсаторов передающей подстанции с положительным выводом высоковольтного приемного конденсатора принимающей подстанции.
Приемное устройство принимающей подстанции имеет также устройство формирования отрицательного потенциала (УФОП), содержащее аккумуляторную батарею, преобразователь постоянного тока в переменный, выход которого через выпрямительное устройство, повышающее ток, подключен к конденсаторной батарее УФОП, отрицательный вывод которой соединен с отрицательным выводом высоковольтного приемного конденсатора, а также зарядное устройство.
Передающая подстанция формирует положительные заряды электричества и передает их на принимающую подстанцию, которая преобразует полученные положительные заряды электричества в переменный трехфазный ток стандартной частоты и подает его потребителям.
Основным недостатком данного технического решения является то, что передача электроэнергии постоянным током высокого напряжения осуществляется по одному проводу, поэтому надежность системы передачи зависит от надежности одного провода, который может оборваться, или замкнутся накоротко.
Кроме этого, недостатком является сложность системы из-за наличия в принимающей подстанции сложного устройства формирования отрицательного потенциала.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения, повышение ее экономичности за счет передачи постоянного тока большой мощности по существующим линиям электропередачи трехфазного переменного тока, а также упрощение принимающей подстанции за счет сокращения оборудования.
Технический результат достигается тем, что в системе передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения, содержащей электрическую станцию с генератором переменного тока, соединенные между собой высоковольтными проводами, передающую подстанцию и принимающую подстанцию с приемным устройством, при этом передающая подстанция содержит повышающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с генератором переменного тока, выпрямительные устройства, входы которых соединены с вторичной обмоткой повышающего трансформатора, а выходы подключены к батареям конденсаторов, причем приемное устройство принимающей подстанции содержит высоковольтный приемный конденсатор, подключенный к высоковольтному преобразователю постоянного тока в переменный трехфазный ток, соединенному с потребителем трехфазного переменного тока и выполненному с возможностью понижения уровня переменного трехфазного напряжения до величины, необходимой потребителю трехфазного переменного тока, а высоковольтные провода соединяют положительные выводы батарей конденсаторов передающей подстанции с положительным выводом высоковольтного приемного конденсатора принимающей подстанции, согласно заявляемой полезной модели, передающая подстанция дополнительно содержит первый, второй и третий блоки автоматического ввода резерва, принимающая подстанция дополнительно содержит блок ИЛИ, причем передающая подстанция и принимающая подстанция соединены между собой первым, вторым и третьим высоковольтными проводами, выпрямительные устройства представляют собой первый, второй и третий автономные преобразователи переменного напряжения в постоянное, преобразующие переменный ток в постоянный ток, батареи конденсаторов представляют собой первый, второй и третий высоковольтные батареи конденсаторов, генератор переменного тока электрической станции выполнен в виде трехфазного генератора переменного тока, выход которого подключен к повышающему трансформатору, выполненному в виде силового трансформатора трехфазного переменного напряжения, имеющему раздельные первую, вторую и третью вторичные обмотки, к которым подключены, соответственно, первый, второй и третий автономные преобразователи переменного напряжения в постоянное, выход которых подключен, соответственно, к входу первой, второй и третьей высоковольтных батарей конденсаторов с возможностью образования первого, второго и третьего автономных источников постоянного тока с одинаковыми значениями напряжений постоянного тока, выход первой, второй и третьей высоковольтных батарей конденсаторов соединен, соответственно, посредством первого, второго и третьего высоковольтных проводов с входом блока ИЛИ, подключенного к высоковольтному приемному конденсатору и выполненного с возможностью сбора положительных потенциалов постоянного тока с положительного вывода первой, второй и третьей высоковольтных батарей конденсаторов передающей подстанции, первый вход и первый выход первого, второго и третьего блоков автоматического ввода резерва подключены, соответственно, к первому, второму и третьему высоковольтным проводам, второй вход и второй выход первого, второго и третьего блоков автоматического ввода резерва подключены, соответственно, к второму, третьему и первому высоковольтным проводам, при этом приемное устройство принимающей подстанции дополнительно содержит устройство формирования управляющего трехфазного синусоидального напряжения, подключенное к слаботочному источнику питания постоянного тока и соединенное с высоковольтным преобразователем постоянного тока в переменный трехфазный ток, который снабжен включателями положительного и отрицательного потенциалов, соединенных соответственно с положительным и отрицательным выводами высоковольтного приемного конденсатора, обкладки которого, несущие отрицательный потенциал, совместно с включателем отрицательного потенциала, заземлены.
Электрическая станция может иметь N паровых турбин, приводящих в движение N трехфазных генераторов переменного тока. Для упрощения системы рассматривается система передачи электроэнергии только с одного трехфазного генератора переменного тока, т.к. передача электроэнергии с других генераторов будет аналогична.
Таким образом, технический результат достигается тем, что передающая подстанция и принимающая подстанция соединены между собой первым, вторым и третьим высоковольтными проводами. Передающая подстанция содержит три автономных преобразователя переменного напряжения в постоянное, три высоковольтных батареи конденсаторов. В передающей подстанции на выход трехфазного генератора переменного тока подключается силовой трансформатор трехфазного переменного напряжения с тремя раздельными вторичными обмотками. Каждая вторичная обмотка подключается к своему автономному преобразователю переменного напряжения в постоянное, преобразующему переменный ток в постоянный ток. Положительный потенциал каждого автономного преобразователя подключается к одной из обкладок конденсатора каждой батареи конденсаторов, а отрицательный потенциал - к другой обкладке конденсатора батареи конденсаторов. К положительной обкладке конденсатора подключается каждый высоковольтный провод передачи положительного потенциала от передающей подстанции к принимающей подстанции. Такими соединениями образованы три автономных, независимых друг от друга, источника постоянного тока с одинаковыми значениями напряжений постоянного тока, которые подключаются к принимающей подстанции. На передающей подстанции для повышения надежности электроснабжения дополнительно устанавливаются три автоматических устройства - блоки автоматического ввода резерва (АВР), которые подключаются следующим образом: первый АВР - между первым и вторым высоковольтными проводами линии передачи, второй АВР - между вторым и третьим высоковольтными проводами, третий АВР - между первым и третьим высоковольтными проводами. В этом случае при выходе из строя любого одного высоковольтного провода линии электропередачи его нагрузка распределяется между двумя остающимися в работе высоковольтными проводами, в случае же выхода из строя любых двух высоковольтных проводов их нагрузки передаются на оставшийся в работе высоковольтный провод линии электропередачи. Только при выходе из строя всех трех высоковольтных проводов линии электропередачи прерывается электроснабжение. Вероятность же такого события на два порядка меньше выхода из строя одного высоковольтного провода. Принимающая подстанция содержит приемное устройство, в котором имеется высоковольтный приемный конденсатор, подключенный к высоковольтному преобразователю постоянного тока в трехфазный переменный ток. Высоковольтные провода линии электропередачи соединяют положительные выводы батарей конденсаторов передающей подстанции с положительным выводом высоковольтного приемного конденсатора через блок ИЛИ. Блок ИЛИ представляет собой блок сбора положительных потенциалов постоянного тока с положительного вывода высоковольтных батарей конденсаторов передающей подстанции. Приемное устройство принимающей подстанции содержит устройство формирования управляющего трехфазного синусоидального напряжения (УФУТСС). УФУТСС подключен к слаботочному источнику питания постоянного тока и соединен с высоковольтным преобразователем постоянного тока в переменный трехфазный ток (ВППТ). ВППТ снабжен включателями положительного и отрицательного потенциалов, соединенных соответственно с положительным и отрицательным выводами высоковольтного приемного конденсатора, обкладки которого, несущие отрицательный потенциал, совместно с включателем отрицательного потенциала, заземлены. ВППТ выполнен с возможностью понижения уровня переменного трехфазного напряжения до величины необходимой потребителю трехфазного тока.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная блок-схема предлагаемой системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения.
Блокам, устройствам и деталям заявляемой полезной модели присвоены следующие позиции:
1. Электрическая станция.
2. Трехфазный генератор переменного тока.
3. Передающая подстанция
4. Силовой трансформатор трехфазного переменного напряжения.
5. Первый автономный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
6. Второй автономный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
7. Третий автономный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
8. Первая высоковольтная батарея конденсаторов.
9. Вторая высоковольтная батарея конденсаторов.
10. Третья высоковольтная батарея конденсаторов.
11. Первый блок автоматического ввода резерва (АВР).
12. Второй блок автоматического ввода резерва (АВР).
13. Третий блок автоматического ввода резерва (АВР).
14. Первый высоковольтный провод линии электропередачи.
15. Второй высоковольтный провод линии электропередачи.
16. Третий высоковольтный провод линии электропередачи.
17. Принимающая подстанция.
18. Приемное устройство.
19. Блок ИЛИ.
20. Высоковольтный приемный конденсатор.
21. Высоковольтный преобразователь постоянного тока в переменный трехфазный ток.
22. Устройство формирования управляющего трехфазного синусоидального напряжения.
23. Слаботочный источник питания постоянного тока.
24. Потребитель трехфазного переменного тока.
25. Включатель преобразователя постоянного тока к высоковольтному конденсатору приемного устройства.
Система передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения содержит электрическую станцию 1 с генератором переменного тока, соединенные между собой высоковольтными проводами, передающую подстанцию 3 и принимающую подстанцию 17 с приемным устройством 18.
Передающая подстанция 3 содержит повышающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с генератором переменного тока, выпрямительные устройства, входы которых соединены с вторичной обмоткой повышающего трансформатора, а выходы подключены к батареям конденсаторов.
Приемное устройство 18 принимающей подстанции 17 содержит высоковольтный приемный конденсатор 20, подключенный к высоковольтному преобразователю 21 постоянного тока в переменный трехфазный ток (ВППТ). ВППТ 21 соединен с потребителем 24 трехфазного переменного тока и выполнен с возможностью понижения уровня переменного трехфазного напряжения до величины, необходимой потребителю 24 трехфазного переменного тока.
Высоковольтные провода соединяют положительные выводы батарей конденсаторов передающей подстанции 3 с положительным выводом высоковольтного приемного конденсатора 20 принимающей подстанции 17.
Отличием предлагаемой системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения от прототипа является то, что передающая подстанция 3 дополнительно содержит первый 11, второй 12 и третий 13 блоки автоматического ввода резерва (блоки АВР), а принимающая подстанция 3 дополнительно содержит блок ИЛИ 19.
Передающая подстанция 3 и принимающая подстанция 17 соединены между собой первым 14, вторым 15 и третьим 16 высоковольтными проводами.
Выпрямительные устройства представляют собой первый 5, второй 6 и третий 7 автономные преобразователи переменного напряжения в постоянное, преобразующие переменный ток в постоянный ток.
Батареи конденсаторов представляют собой первый 8, второй 9 и третий 10 высоковольтные батареи конденсаторов.
Генератор переменного тока электрической станции 1 выполнен в виде трехфазного генератора 2 переменного тока, выход которого подключен к повышающему трансформатору.
Повышающий трансформатор выполнен в виде силового трансформатора 4 трехфазного переменного напряжения, имеющему первую, вторую и третью раздельные вторичные обмотки, к которым подключены, соответственно, первый 5, второй 6 и третий 7 автономные преобразователи переменного напряжения в постоянное.
Выход первого 5, второго 6 и третьего 7 автономных преобразователей переменного напряжения в постоянное подключен, соответственно, к входу первой 8, второй 9 и третьей 10 высоковольтных батарей конденсаторов с возможностью образования первого, второго и третьего автономных источников постоянного тока с одинаковыми значениями напряжений постоянного тока.
При этом (на чертеже это условно не показано) положительный потенциал первого 5, второго 6 и третьего 7 автономных преобразователей подключен к одной из обкладок конденсатора, несущей положительный потенциал, соответствующей первой 8, второй 9 и третьей 10 высоковольтных батарей конденсаторов, а отрицательный потенциал автономных преобразователей 5, 6 и 7 - к другой обкладке конденсатора с потенциалом отрицательного заряда высоковольтных батарей конденсаторов 8, 9 и 10.
Такими соединениями образованы три автономных, независимых друг от друга, источника постоянного тока с одинаковыми значениями напряжений постоянного тока, которые подключаются посредством высоковольтных проводов 14, 15, 16 к принимающей подстанции 17.
К положительной обкладке конденсатора первой 8, второй 9 и третьей 10 высоковольтных батарей конденсаторов подключен, соответственно, первый 14, второй 15 и третий 16 высоковольтный провод передачи положительного потенциала от передающей подстанции 3 к принимающей подстанции 17, т.е. выход первой 8, второй 9 и третьей 10 высоковольтных батарей конденсаторов передающей подстанции 3 соединен, соответственно, посредством первого 14, второго 15 и третьего 16 высоковольтных проводов с входом блока ИЛИ 19 принимающей подстанции 17.
Блок ИЛИ 19 подключен к высоковольтному приемному конденсатору 20 и выполнен с возможностью сбора положительных потенциалов постоянного тока с положительного вывода первой 8, второй 9 и третьей 10 высоковольтных батарей конденсаторов передающей подстанции 3.
Первый вход и первый выход первого 11, второго 12 и третьего 13 блоков автоматического ввода резерва подключены, соответственно, к первому 14, второму 15 и третьему 16 высоковольтным проводам.
Второй вход и второй выход первого 11, второго 12 и третьего 13 блоков автоматического ввода резерва подключены, соответственно, к второму 15, третьему 16 и первому 14 высоковольтным проводам.
Приемное устройство 18 принимающей подстанции 3 дополнительно содержит также устройство 22 формирования управляющего трехфазного синусоидального напряжения, подключенное к слаботочному источнику 23 питания постоянного тока, введенному в приемное устройство 18 и соединенное с высоковольтным преобразователем 21 постоянного тока в переменный трехфазный ток (ВППТ).
ВППТ 21 снабжен включателями 25 положительного и отрицательного потенциалов, соединенных, соответственно, с положительным и отрицательным выводами высоковольтного приемного конденсатора 20, обкладки которого, несущие отрицательный потенциал, совместно с включателем отрицательного потенциала, заземлены. Включатель 25 отрицательного потенциала подключает ВППТ 21 к «земле».
Таким образом, к каждой из трех раздельных вторичных обмоток силового трансформатора 4 трехфазного переменного напряжения подключены, соответствующие автономные преобразователи 5, 6, 7 переменного напряжения в постоянное, преобразующие переменный ток в постоянный ток, к выходам каждой из которых подключены соответствующие высоковольтные батареи конденсаторов 8, 9, 10, к выходу каждой из которых подключены соответствующие высоковольтные провода 14, 15, 16. Между высоковольтными проводами 14 и 15 включен блок АВР 11, между высоковольтными проводами 15 и 16 включен блок АВР 12, а между высоковольтными проводами 14 и 16 включен блок АВР 13. Блоки АВР 11, 12, 13 служат для повышения надежности электроснабжения и обеспечивают передачу полной мощности с передающей подстанции 3 на приемную подстанцию 17 при выходе из строя любой одной или любых двух высоковольтных проводов 14, 15, 16, несущих положительные заряды.
Работа системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения.
Принцип действия предлагаемой системы передачи электроэнергии состоит в формировании передающей подстанцией 3 положительных зарядов электричества в трех высоковольтных проводах и передачи их по высоковольтным проводам 14, 15, 16 на принимающую подстанцию 17, которая преобразует, полученные положительные заряды, в трехфазный ток стандартной частоты, и подает его потребителю 24.
Паровая турбина (на чертеже условно не показана), установленная в здании электрической станции 1, приводит в движение генератор 2, который вырабатывает трехфазный переменный ток, подаваемый на первичную обмотку силового трансформатора 4 трехфазного переменного напряжения, передающей подстанции 3, на трех раздельных вторичных обмотках которого создается ток высокого напряжения, поступающий на входы автономных преобразователей 5, 6 и 7 переменного напряжения в постоянное, преобразующих переменный ток в постоянный ток. Полученный постоянный ток высокого напряжения поступает на зарядку высоковольтных батарей конденсаторов 8, 9 и 10. Далее положительные заряды с обкладок конденсаторов высоковольтных батарей 8, 9 и 10 стекают на высоковольтные провода 14, 15 и 16, равномерно распределяются по ним и затем поступают на входы блока ИЛИ 19, который выполнен с возможностью сбора положительных потенциалов постоянного тока. С выхода блока ИЛИ 19 положительные заряды поступают на входные клеммы и пластины высоковольтного приемного конденсатора 20 приемного устройства 18 принимающей подстанции 17.
Три блока АВР 11, 12, 13 выполняют функцию ввода положительного потенциала высоковольтного провода линии электропередачи, который может оборваться, или замкнутся накоротко, в любые два оставшихся в работе высоковольтных провода линии электропередачи, или же, если оборвались сразу два высоковольтных провода, передать их положительные потенциалы в оставшийся в работе высоковольтный провод линии электропередачи. Например, если оборвался высоковольтный провод 14, то положительный потенциал провода 14 передается в провод 15 через блок АВР 11 и в провод 16 через блок АВР 13. Если же вышли из строя одновременно два высоковольтных провода 14 и 16, то их положительные потенциалы передаются в провод 15 через блок АВР 11 и блок АВР 12.
Тем самым поддерживается определенная требуемая нагрузка в течение заданного времени.
В приемном устройстве 18 принимающей подстанции 17 все три высоковольтных провода, несущих положительные заряды, объединяются в блоке ИЛИ 19, с выхода которого положительные заряды поступают на вход положительного потенциала обкладки высоковольтного конденсатора 20, вторая обкладка которого заземляется. При замкнутом включателе 25 положительный заряд и потенциал земли подключаются к входу высоковольтного преобразователя 21 постоянного тока в трехфазный переменный ток промышленной частоты, который управляется устройством 22 формирования управляющего трехфазного синусоидального сигнала, питающимся от слаботочного источника питания 23 постоянного тока.
Таким образом, трехфазный переменный ток формируется в приемном устройстве 18 из положительного потенциала передающей подстанции 3, собранного блоком ИЛИ 19 принимающей подстанции 17, и отрицательного потенциала, формируемого высоковольтным приемным конденсатором 20 приемного устройства 18 за счет того, что обкладки конденсатора 20, не несущие положительного потенциала, заземлены и в них накапливаются заряды с отрицательным потенциалом. Во время работы принимающей подстанции 17 включатели 25 включаются.
При включении включателей 25 постоянный ток высокого напряжения подается на вход ВППТ 21, который вначале преобразует его в трехфазный переменный ток высокого напряжения, а затем понижает уровень переменного трехфазного напряжения до величины, необходимой потребителю 24 трехфазного переменного тока. Управляющие трехфазные синусоидальные сигналы вырабатываются после подключения устройства 22 к слаботочному источнику питания 23 постоянного тока. С включением включателей 25 подается положительное напряжение на устройство 22 формирования управляющего трехфазного синусоидального напряжения, который соединен с высоковольтным преобразователем 21 постоянного тока в переменный трехфазный ток. Так как ВППТ 21 выполнен с возможностью понижения уровня переменного трехфазного напряжения, то потребителю 24 поступает напряжение переменного тока необходимой величины.
Использование предлагаемой полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, повысить надежность системы передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения, повысить ее экономичность за счет передачи постоянного тока большой мощности по существующим линиям электропередачи трехфазного переменного тока, а также упростить принимающую подстанцию за счет сокращения оборудования.