Трехфазное симметрирующее устройство
THREE-PHASE BALANCING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для симметрирования напряжения в сети 0,4 кВ.
Известно трехфазное симметрирующее устройство (патент RU №2521864, публ. 10.07.2014, МПК H02J 3/26), содержащее входные зажимы для подключения питающей сети и выходные зажимы для подключения нагрузки, трехфазный трехстержневой трансформатор, две первичные обмотки которого соединены в «зигзаг» и включены на выходные зажимы. При этом в каждую фазу введены одна или две последовательно соединенные вольтодобавочные обмотки, включенные со стороны питающей сети через двух- или трехпозиционный переключатель последовательно с нагрузкой.
Недостатком настоящего технического решения является симметрирование напряжения только на шинах трансформаторной подстанции, что обусловлено конструкцией устройства, и не исключает несимметрию на участках сети и в точках подключения нагрузок.
Известно трехфазное симметрирующее устройство (патент RU №2453965, публ. 20.06.2012, МПК H02J 3/26), содержащее входные зажимы для подключения питающей сети и выходные зажимы для подключения нагрузки, трехфазный трехстержневой трансформатор, содержащий две первичные обмотки: первую ближнюю к стержню и вторую. При этом введена третья обмотка, крайняя на каждом стержне, включенная согласно последовательно с первой обмоткой и встречно в «зигзаг» с обмотками, расположенными на других стержнях, при этом суммарное число витков первой и третьей обмоток равно числу витков второй обмотки; первые свободные выводы первых обмоток соединены с выходными или входными зажимами, а свободные выводы вторых обмоток соединены в одну общую точку и являются нулевым выводом для подключения фазных нагрузок. Между нулевым выводом питающей сети и нулевым выводом для подключения фазных нагрузок включен полупроводниковый ключ на двух встречно параллельно включенных тиристорах, управляющие электроды которых через два встречно параллельно включенных стабилитрона и последовательный резистор соединены между собой.
Недостатком настоящего технического решения является симметрирование напряжения только на шинах трансформаторной подстанции, что обусловлено конструкцией устройства, и не исключает несимметрию на участках сети и в точках подключения нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство автоматического симметрирования токов многофазной системы по заданной фазе, описанное в патенте RU №2393610 «Способ автоматического симметрирования токов многофазной системы по заданной фазе» (публ. 27.06.2010, МПК H02J 3/26), содержащее датчики формы тока фаз для получения информации о несимметрии, два фазосдвигающих блока для суммирования сигналов разных фаз, блок формирования разностных сигналов, дополнительный источник мощности для подачи сформированного сигнала в фазы и логический блок анализа опорной фазы. Для снижения несимметрии в заданную линию электропередачи производится инжекция напряжения, сформированная от постороннего источника, для чего осуществляют симметрирование многофазной системы относительно заданной фазы, либо фазы с током нагрузки, близким к среднему, либо наименее нагруженной фазы, которую определяют в качестве опорной. Данное устройство предполагается к установке на единичных электроприемниках в фиксированном месте установки и производит симметрирование исходя из условия, что несимметрия не меняется и постоянно находится в одной фазе.
Недостатком настоящего технического решения является симметрирование напряжения только в точке подключения данного устройства для заданного единичного электроприемника. При этом несимметрия и величина потерь в сети, обусловленная ей, остается на том же уровне. Кроме того, несимметрия в точке подключения единичного электроприемника фиксируется только на основании датчиков формы тока фаз, что приводит к недостаточной точности симметрирования.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в устранении несимметрии напряжений как в произвольной точке, так и на заданном участке сети 0,4 кВ в целом путем инжекции напряжения в линию электропередачи.
Технический результат заключается в повышении точности работы устройства и снижении дополнительных потерь электроэнергии в сети 0,4 кВ, обусловленных несимметрией, и как следствие, повышении качества электрической энергии.
Это достигается тем, что известное трехфазное симметрирующее устройство, выполненное с возможностью последовательного подключения к линиям электропередачи трехфазной сети переменного тока с нулевым проводом, и содержащее блок измерения и блок управления, снабжено первым, вторым, третьим и четвертым силовыми кабелями, каждый из которых выполнен с возможностью последовательного подключения, соответственно, к фазам «А», «В», «С» и нулевому проводу «0» трехфазной сети, звеном постоянного тока, выполненным в виде последовательно соединенных выпрямительного моста, фильтра и инвертора, а также первым, вторым и третьим трансформаторами гальванической развязки, причем блок измерения выполнен в виде первого датчика тока и первого датчика напряжения, установленных на первом силовом кабеле, второго датчика тока и второго датчика напряжения, установленных на втором силовом кабеле, третьего датчика тока и третьего датчика напряжения, установленных на третьем силовом кабеле, и четвертого датчика тока, установленного на четвертом силовом кабеле, при этом выходы первого, второго, третьего и четвертого датчиков тока соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока управления, выходы первого, второго и третьего датчиков напряжения соединены, соответственно, с пятым, шестым и седьмым входами блока управления, восьмой вход блока управления выполнен с возможностью подключения к первому, второму или третьему силовому кабелю, девятый вход блока управления подключен к четвертому силовому кабелю, первый вход выпрямительного моста, являющийся также первым входом звена постоянного тока, подключен к первому силовому кабелю, второй вход выпрямительного моста, являющийся также вторым входом звена постоянного тока, подключен ко второму силовому кабелю, третий вход выпрямительного моста, являющийся также третьим входом звена постоянного тока, подключен к третьему силовому кабелю, четвертый вход выпрямительного моста, являющийся также четвертым входом звена постоянного тока, подключен к четвертому силовому кабелю, первый трансформатор гальванической развязки установлен на первом силовом кабеле, причем его вход соединен с первым выходом инвертора, являющимся также первым выходом звена постоянного тока, второй трансформатор гальванической развязки установлен на втором силовом кабеле, вход которого соединен со вторым выходом инвертора, являющимся также вторым выходом звена постоянного тока, третий трансформатор гальванической развязки установлен на третьем силовом кабеле, вход которого соединен с третьим выходом инвертора, являющимся также третьим выходом звена постоянного тока, выходы трансформаторов гальванической развязки соединены в общей точке, подсоединенной к четвертому выходу инвертора, являющемуся также четвертым выходом звена постоянного тока, первый выход блока управления подключен к пятому входу выпрямительного моста, являющемуся управляющим, второй выход блока управления подключен к управляющему входу инвертора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором изображено трехфазное симметрирующее устройство.
Трехфазное симметрирующее устройство, выполненное с возможностью последовательного подключения к линиям электропередачи трехфазной сети переменного тока с нулевым проводом, содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 силовые кабели, каждый из которых выполнен с возможностью последовательного подключения, соответственно, к фазам «А», «В», «С» и нулевому проводу «0» трехфазной сети.
Трехфазное симметрирующее устройство содержит также блок измерения 5, включающий первый датчик тока 6 и первый датчик напряжения 7, установленные на первом силовом кабеле 1, второй датчик тока 8 и второй датчик напряжения 9, установленные на втором силовом кабеле 2, третий датчик тока 10 и третий датчик напряжения 11, установленные на третьем силовом кабеле 3, и четвертый датчик тока 12, установленный на четвертом силовом кабеле 4.
Выходы первого 6, второго 8, третьего 10 и четвертого 10 датчиков тока соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока управления 13, причем каждая из этих связей реализована парой жил кабеля связи 14. Выходы первого 7, второго 9 и третьего 11 датчиков напряжения соединены, соответственно, с пятым, шестым и седьмым входами блока управления 13, причем каждая из этих связей реализована собственной парой жил кабеля связи 14. Восьмой вход блока управления 13 выполнен с возможностью подключения силовым кабелем оперативного тока 15 к первому 1, второму 2 или третьему 3 силовому кабелю (например, как показано на чертеже, к третьему силовому кабелю 3). Девятый вход блока управления 13 подключен силовым кабелем оперативного тока 15 к четвертому силовому кабелю 4.
Устройство также содержит звено постоянного тока 16, выполненное в виде последовательно соединенных выпрямительного моста 17, фильтра 18 и инвертора 19. Причем первый вход выпрямительного моста 17, являющийся также первым входом звена постоянного тока 16, подключен к первому силовому кабелю 1; второй вход выпрямительного моста 17, являющийся также вторым входом звена постоянного тока 16, подключен ко второму силовому кабелю 2; третий вход выпрямительного моста 17, являющийся также третьим входом звена постоянного тока 16, подключен к третьему силовому кабелю 3; четвертый вход выпрямительного моста 17, являющийся также четвертым входом звена постоянного тока 16, подключен к четвертому силовому кабелю 4.
На первом силовом кабеле 1 установлен первый трансформатор гальванической развязки 20, вход которого соединен с первым выходом инвертора 19, являющимся также первым выходом звена постоянного тока 16. На втором силовом кабеле 2 установлен второй трансформатор гальванической развязки 21, вход которого соединен со вторым выходом инвертора 19, являющимся также вторым выходом звена постоянного тока 16. На третьем силовом кабеле 3 установлен третий трансформатор гальванической развязки 22, вход которого соединен с третьим выходом инвертора 19, являющимся также третьим выходом звена постоянного тока 16. Выходы первого 20, второго 21 и третьего 22 трансформаторов гальванической развязки соединены в общей точке, подсоединенной к четвертому выходу инвертора 19, являющемуся также четвертым выходом звена постоянного тока 16.
Первый выход блока управления 13 первым кабелем управления 23 подключен к пятому входу выпрямительного моста 17, являющемуся управляющим. Второй выход блока управления 13 вторым кабелем управления 24 подключен к управляющему входу инвертора 19. При этом оба выхода блока управления 13 являются дискретными.
Предлагаемое трехфазное симметрирующее устройство представляет собой устройство в едином корпусе, все части которого (элементы на чертеже №1-24) расположены внутри корпуса и соединены между собой на предприятии-изготовителе следующими сборочными операциями: свинчиванием, пайкой и опрессовкой, благодаря чему обеспечено конструктивное единство прибора. При этом устройство может быть установлено в разрыв фаз линий и нулевого провода трехфазной сети переменного тока в точке наибольшей несимметрии, как на источнике питания - тины 0,4 кВ трансформаторной подстанции, либо возле нагрузки, являющейся источником несимметрии. Точка установки устройства (точка набольшей несимметрии сети) определяется но результатам измерений несимметрии в сети и их статистической обработки.
Трехфазное симметрирующее устройство работает следующим образом.
Информация с блока измерения 5 (в частности, с первого 6, второго 8, третьего 10 и четвертого 12 датчиков тока, а также с первого 7, второго 9 и третьего 11 датчиков напряжения) непрерывно передается в блок управления 13. Наличие в блоке измерения 5 первого 7, второго 9 и третьего 11 датчиков напряжения позволяет увеличить точность формирования величины мощности для инжекции, а, следовательно, точности работы трехфазного симметрирующего устройства.
В блоке управления 13 на основании полученной информации в режиме реального времени ведется анализ уровня несимметрии напряжения в сети. При повышении уровня несимметрии выше допустимого значения (2%), блок управления 13 осуществляет снижение несимметрии с помощью воздействия на звено постоянного тока 16. В звене постоянного тока 16 при помощи выпрямительного моста 17 и фильтра 18 происходит преобразование переменного трехфазного тока в постоянный ток, затем в инверторе 19 по команде управления от блока управления 13 формируется инжекция необходимого значения мощности на соответствующем наиболее загруженной фазе выходе инвертора 19 и звена постоянного тока 16, которая передается в загруженную фазу через соответствующий трансформатор гальванической развязки 20, 21 или 22. Таким образом, обеспечивается выравнивание токов и напряжений в фазах линии электропередачи. Процесс идет до тех пор, пока уровень несимметрии не снизится до значения ниже 2%, после этого блок управления 13 фиксирует режим работы звена постоянного тока 16 до изменения показателей несимметрии, после чего цикл регулирования повторяется. Использование звена постоянного тока 16 позволяет получить нужные параметры инжекции и избежать установки дополнительных фазовращающих блоков для согласования параметров инжекции с нужной фазой. Трансформаторы гальванической развязки 20, 21 и 22 обеспечивают защиту устройства симметрирования от влияния процессов, происходящих в электрической сети.
Блок управления 13 получает питание по кабелю оперативного тока 15 от одной из фаз линии электропередачи 0,4 кВ и нулевого провода, что позволяет устанавливать предлагаемое трехфазное симметрирующее устройство в произвольном месте электрической сети (в месте наибольшей несимметрии на линии электропередачи 0,4 кВ или в точке подключения единичного электроприемника) без дополнительных источников питания. Поскольку симметрирование сети производится за счет интегрального использования датчиков тока и напряжения, значительно повышается точность работы устройства. В предлагаемом устройстве отсутствуют фазосдвигающие блоки, согласование фаз ведется в блоке управления 13 с помощью звена постоянного тока 16, включающего в себя ШИМ-выпрямитель и ШИМ-инвертор.
Использование изобретения позволяет повысить точность трехфазного симметрирующег о устройства, автоматически устраняющего несимметрию, изменяющуюся во времени, и, следовательно, снизить дополнительные потери электроэнергии в сети.