Способ включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции
METHOD FOR SWITCHING-ON, SWITCHING-OFF AND REGULATING VOLTAGE OF TRANSFORMER SUBSTATION

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для включения, отключения и регулирования или поддержания на заданном уровне напряжения трансформаторной подстанции.
Известен способ включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции, согласно которому через оперативные цепи управления, воздействуя на коммутационную аппаратуру с механическими контактами, производят включения и отключения силового трансформатора подстанции на стороне высокого напряжения и дискретное регулирование напряжения за счет переключения под нагрузкой отпаек на первичной обмотке силового трансформатора механическим переключающим устройствам через трехфазный токоограничивающий реактор (Веников В.А. и др. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах / В.А. Веников, В.И. Идельчик, М.С. Лисеев. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – Стр. 102-108, рис. 4.4).
К недостаткам известного способа включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции следует отнести отсутствие возможности управления электромагнитными процессами силового трансформатора, в результате чего переходные процессы носят случайный характер и сопровождаются большими пусковыми токами с просадками напряжения, возникновением ударных электродинамических усилий и постоянных подмагничивающих составляющих у магнитных потоков и токов намагничивания, создающих увеличение материалоемкости силового трансформатора и дополнительные электрические и магнитные потери.
К недостаткам также следует отнести возникновение электрической дуги при отключении механическими контактами индуктивных цепей на стороне высокого напряжения трансформаторной подстанции.
Наиболее близким по физической сущности является способ включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции (патент РФ на изобретение №2536304, Бюл. №3, 20.12.2014), который взят за прототип.
Известный способ применим для трансформаторных подстанций, силовые трансформаторы которых имеют соединение первичной обмотки в треугольник или в звезду с изолированной нейтралью и любую из схем и групп соединения вторичной обмотки. Способ-прототип сохраняет работоспособность на всех стадиях выполнения операций при подключенной и при отключенной нагрузке на подстанции.
Пускорегулирующее устройство трансформаторной подстанции, реализующее способ-прототип, включено в цепь первичной обмотки силового трансформатора подстанции и содержит три тиристорных ключа с естественной коммутацией и трехфазный контактор.
Способ-прототип выполняет операции в следующей последовательности. При включении подстанции сначала двумя тиристорными ключами подключают две фазы первичной обмотки силового трансформатора к соответствующим фазам сети в момент перехода фазного напряжения третьей фазы сети через ноль, затем третьим тиристорным ключом подключают третью фазу первичной обмотки силового трансформатора к третьей фазе сети в момент перехода линейного напряжения двух других фаз сети через ноль.
К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие в нем операций управления электромагнитными процессами в силовом трансформаторе при переходе после включения подстанции к узкодиапазонному регулированию напряжения как вверх, так и вниз относительно номинального уровня, а также при переходе от процесса регулирования напряжения на входе силового трансформатора к выключению подстанции. Отсутствие этих операций вызывает возникновение электрической дуги при коммутации механическими контактами индуктивных цепей и ухудшает энергетические показатели и динамические свойства трансформаторной подстанции.
Задачей изобретения является повышение коэффициентов мощности и полезного действия у силового трансформатора подстанции и у потребителей электроэнергии, снижение тока потребления, уменьшение просадки напряжения и потери в сети в пусковых и стационарных режимах работы, обеспечение отсутствия электрической дуги, коммутационных потерь и перенапряжений на обмотках силового трансформатора при управляемом отключении подстанции.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, завершая процесс включения силового трансформатора с одновременной подготовкой подстанции к регулированию напряжения, параллельно полностью открытым тиристорным ключам посредством трехфазного контактора подключают трехфазный реактор, после чего изменением проводящего состояния тиристорных ключей производят регулирование напряжения на первичной обмотке силового трансформатора и на нагрузке подстанции, при этом верхний предел регулирования напряжения на нагрузке задают коэффициентом трансформации силового трансформатора при полностью открытых тиристорных ключах, а нижний предел регулирования задают сопротивлением реактора при полностью закрытых тиристорных ключах, причем при выключении силового трансформатора сначала тиристорные ключи переводят в полностью открытое состояние, затем трехфазным контактором отключают трехфазный реактор и в завершение процесса выключения силового трансформатора снимают управляющие импульсы с тиристорных ключей с естественной коммутацией.
Техническим результатом является улучшение энергетических показателей и динамических свойств трансформаторной подстанции. При этом, как и в прототипе, сохраняются преимущества управляемого включения подстанции. Не нарушается симметрия токов намагничивания и магнитных потоков силового трансформатора, что обуславливает снижение потерь в магнитопроводе и предопределяет улучшение массогабаритных показателей. Достигается снижение в 2 раза пусковых токов в обмотках и в 4 раза электродинамических усилий на обмотки силового трансформатора подстанции.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где в однолинейном исполнении приведены трехфазные элементы подстанции, включая элементы пускорегулирующего устройства, при помощи которых выполняются операции способа.
На чертеже приведены следующие трехфазные элементы подстанции: 1 - силовой трансформатор; 2 - тиристорные ключи, выполненные, например, для повышения класса напряжения из последовательно соединенных тиристоров и диодов; 3 - контактор; 4 - реактор; 5 - сеть; 6 - нагрузка.
Способ включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции состоит из известных и вновь введенных операций и взаимодействий между ними.
При включении силового трансформатора 1 сначала двумя тиристорными ключами 2 подключают две фазы его первичной обмотки к соответствующим фазам сети в момент перехода фазного напряжения третьей фазы сети 5 через ноль, затем третьим тиристорным ключом 2 подключают третью фазу первичной обмотки силового трансформатора 1 к третьей фазе сети 5 в момент перехода линейного напряжения двух других фаз сети 5 через ноль и в завершение процесса включения силового трансформатора 1 параллельно полностью открытым тиристорным ключам посредством трехфазного контактора 3 подключают трехфазный реактор 4, а при отключении силового трансформатора 1 сначала тиристоры переводят в полностью открытое состояние, затем трехфазным контактором 3 отключают трехфазный реактор 4 и в завершение процесса отключения силового трансформатора 1 снимают управляющие импульсы с тиристорных ключей 2 с естественной коммутацией.
Способ работает следующим образом.
Управляемое включение силового трансформатора 1 заключается в том, что в момент перехода фазного напряжения одной из фаз сети 5 через ноль, линейное напряжение двух других фаз сети посредством тиристорных ключей 2 подключают к двум фазам первичной обмотки трансформатора 1. В результате этого к каждой из этих фазных обмоток прикладывается половина линейного напряжения, что в 2/1,73=1,15 раза или на 15% меньше фазного напряжения.
Эти два фактора (два начальных условия для общего решения неоднородного дифференциального уравнения первого порядка для активно-индуктивного контура с синусоидальным напряжением) - во-первых, включение обмоток на пониженное напряжение и, во-вторых, включение в середине полупериода прикладываемого напряжения, существенно ограничивают нарастание тока и ударного электродинамического воздействия на обмотки силового трансформатора. Следующая операция способа управляемого включения вновь подготавливает начальные условия для продолжения благоприятного формирования процесса пуска силового трансформатора 1, а именно, через четверть периода сетевого напряжения производится подключение третьей фазной первичной обмотки силового трансформатора к третьей фазе сети 5 в момент перехода линейного напряжения от двух предыдущих фаз сети через ноль. Наконец, завершают включение силового трансформатора 1 тем, что посредством трехфазного контактора 3 параллельно полностью открытым тиристорным ключам 2 подключают трехфазный реактор 4.
После включения контакторам 3 схема подстанции подготовлена к регулированию напряжения. Контактор 3 включает реактор 4 в цепь первичной обмотки силового трансформатора 1 и при плавном изменении проводящего состояния тиристорных ключей 2 производят плавное регулирование напряжения на нагрузке 6. Верхний предел регулирования задается увеличением коэффициента трансформации (уменьшением числом витков первичной обмотки) силового трансформатора 1, а нижний предел регулирования задается увеличением падения напряжения на сопротивлении реактора 4 (увеличением индуктивности реактора).
Выключение силового трансформатора 1 подстанции без возникновения электрической дуги и коммутационных перенапряжений производят в три операции.
Сначала тиристорные ключи 2 переводят в полностью открытое состояние, обнуляя ток через контакты контактора 3 и реактор 4. Затем трехфазным контактором 3 без возникновения электрической дуги и перенапряжений отключают обесточенную цепь с реактором 4. На завершающей операции способа снимают управляющие импульсы с тиристорных ключей 2, и они выключаются без коммутационных потерь за счет естественных процессов в схеме первичной обмотки силового трансформатора 1, соединенной в треугольник или в звезду с изолированной нейтралью. Сначала отключается одна из трех фаз, ток в которой раньше, чем в остальных фазах перейдет через ноль, затем отключаются две оставшиеся фазы при переходе через ноль общего для них тока.
Целесообразной областью применения являются трансформаторные подстанции промышленных предприятий с напряжениями 35/(10-6) кВ и (10-6)/0,4 кВ, требующие компенсацию отклонений напряжения ΔU в узком диапазоне ± 10%.
Наиболее целесообразной областью применения являются печные трансформаторы электросталеплавильных цехов металлургических предприятий, в электродуговой технологии которых требуется расширенный диапазон регулирования напряжения.