Система электроснабжения потребителей собственных нужд электрической станции
ELECTRIC STATION IN-HOUSE NEEDS CONSUMERS POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам питания вспомогательного оборудования электрических станций (ЭС).
Потребителями электроэнергии собственных нужд (с.н.) являются электроприводы машин и механизмов, обеспечивающие технологический цикл производства и преобразования электрической и тепловой энергии на ЭС. Потребители с.н. по значению их номинального напряжения разделяются на две группы: первые потребители - это потребители высокого напряжения (ВН) и вторые потребители - это потребители низкого напряжения (НН). Как правило, ВН - это 6 кВ, а НН - это 0,38 кВ. Все потребители с.н. по надежности электроснабжения относятся к ответственным, которые должны получать электроэнергию от двух источников питания. Некоторые потребители с.н., которые относятся к потребителям особо ответственным, не допускающим перерывов питания, нуждаются и в третьих, дополнительных, источниках переменного тока 380÷660 В и постоянного тока 220 В. В частности, для некоторых потребителей энергоблоков тепловых ЭС, оборудованных вычислительными комплексами, не допускается перерыв питания больше, чем на доли секунды. Они нуждаются в бесперебойном питании.
Предлагаемая система электроснабжения с.н. (СЭс.н.) может быть использована на тех ЭС и подстанциях различного назначения, в которых для электропривода машин и механизмов вспомогательного оборудования устанавливаются двигатели новых разновидностей с регулируемой скоростью, которые начинают применяться взамен асинхронных короткозамкнутых и синхронных двигателей, подключавшихся к системе распределения электроэнергии непосредственно, в том числе и двигатели, которые должны получать питание от источников постоянного тока.
Известна СЭс.н., содержащая трехфазные секционированные шины распределительного устройства (РУ) высокого напряжения - РУс.н.1, к которым подключена система распределения электроэнергии переменного тока первых потребителей и питающие эти шины трехфазные кабельные линии, отходящие от сборных шин главного распределительного устройства (ГРУ) ЭС, к которому подключены генераторы ЭС и силовые трансформаторы (ТС), связывающие сборные шины ГРУ с распределительным устройством высшего напряжения ЭС (110 кВ или 220 кВ), трехфазные секционированные шины распределительного устройства. низкого напряжения - РУс.н.2, к которым подключена система распределения электроэнергии вторых потребителей и вторичные обмотки трансформаторов с.н. (Тс.н.), связывающих шины РУс.н.1 с шинами РУс.н.2. В состав системы распределения электроэнергии высокого напряжения входят распределительные щиты (РЩ) высокого напряжения (РЩ1), к которым подключены первые потребители с.н., потребляющие электроэнергию ВН, и трехфазные кабельные линии, отходящие от РУс.н.1, а в состав системы распределения электроэнергии низкого напряжения входят распределительные щиты НН (РЩ2), к которым подключены вторые - потребители с.н., потребляющие электроэнергию НН, и трехфазные кабельные линии, отходящие от РУс.н.2. Такая СЭс.н. является аналогом предлагаемого изобретения [1: Козлов А.Н., Ротачева. А.Г., Тоушкин А.Г., Козлов В.А. Собственные нужды тепловых, атомных и гидравлических электрических станций и подстанций. Учебное пособие. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2008, 280 с, - с. 79-98, рисунки 38 и 39].
Необходимая надежность питания этой СЭсн обеспечивается благодаря тому, что к сборным шинам ГРУ присоединены не только генераторы ЭС, но и трансформаторы ТС, что обеспечивает возможность питания потребителей с.н. как от генераторов ЭС, так и от энергосистемы высшего напряжения. Повышению надежности питания служит и секционирование шин РУс.н.1 и РУс.н.2. При этом каждая из кабельных линий, отходящих от РУс.н.1 и РУс.н.2 к каким-либо распределительным щитам или к потребителям, может подключаться к двум секциям этих распределительных устройств. Этой же цели служит и резервирование Тс.н. и подключение первичных обмоток этих трансформаторов к разным секциям РУс.н. 1.
СЭс.н.-аналог имеет следующие недостатки:
Первый недостаток - это низкий коэффициент мощности, потребляемой электроприводами машин и механизмов вспомогательного оборудования ЭС. Проявление этого недостатка усиливается при неполной нагрузке электродвигателей этих электроприводов и, в особенности, при их работе вхолостую.
Второй и третий недостатки являются следствием большого значения пусковых токов асинхронных двигателей (АД) при их прямом подключении к источнику переменного тока, а также сверхтоков, возникающих при переключениях обмоток АД с обмотки одной скорости на обмотку другой скорости и при реверсе АД. Пусковые токи асинхронных двигателей в 5÷8 раз превосходят их номинальные токи. Еще большие значения имеют указанные сверхтоки.
Второй недостаток - это низкая надежность работы электроприводов СЭс.н.-аналога: у АД возникают повреждения обмоток статора и ротора. Электромагнитные силы, которые действуют на лобовые части обмотки и на ее выводные концы при пусковых токах и сверхтоках, пропорциональные квадрату тока, в десятки раз превосходят указанные силы, имеющие место в номинальном режиме работы АД. В результате изгибной деформации обмоточных проводов в изоляции обмотки статора появляются трещины. Под действием влаги, попавшей в эти трещины, возникает пробой изоляции с переходом в межвитковые или междуфазные короткие замыкания. Для обмотки ротора короткозамкнутых АД характерными повреждениями, вызванными пусковыми токами и сверхтоками, являются трещины и обрыв стержней обмотки ротора в месте их входа в короткозамыкающее кольцо. При обрыве стержня, когда двигатель продолжает работать, возникает изгиб стержня в сторону лобовых частей обмотки статора, что может вызвать и ее повреждение.
Третий недостаток - это последствия больших провалов напряжения на шинах РЩ1, РЩ2, РУс.н.1 и РУс.н.2, возникающих при запуске или переключениях с одной скорости электродвигателя большой мощности на. другую: этот двигатель может не запуститься, другие двигатели могут остановиться или будут отключены защитой минимального напряжения.
Четвертый недостаток - это слишком большие значения суммарной массы и стоимости трехфазных трехжильных кабельных линий СЭс.н.-аналога, по сравнению с линиями постоянного тока, состоящими из двух одножильных кабелей. Так, например, масса трехфазной сети, с линейным напряжением 400 В и коэффициентом передаваемой мощности, равным 0,8, примерно в три раза больше, чем у сети постоянного тока с напряжением 650 В, что всего на 15% больше амплитудного значения синусоидального напряжения 400 В при том же значении передаваемой активной мощности.
Пятый недостаток заключается в том, что СЭс.н.-аналог не обеспечивает бесперебойное питание части особо ответственных потребителей с.н.
От пятого недостатка аналога свободна СЭс.н., которая наиболее близка по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) [1: Козлов А.Н., Ротачева. А.Г., Тоушкин А.Г., Козлов В.А. Собственные нужды тепловых, атомных и гидравлических электрических станций и подстанций. Учебное пособие. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2008, 280 с, - с. 79-98, рисунок 42]. Для этого схема СЭс.н.-аналога дополнена агрегатом бесперебойного питания (АБП), подключенным его выходными зажимами к секции РУс.н.2 указанных особо ответственных потребителей с.н., отделенной от других секций этого распределительного устройства. К секции особо ответственных потребителей с.н., кроме этих потребителей подключены выходные зажимы автономных инверторов АБП, получающих питание от шин постоянного тока 220 В, к которым кроме входных зажимов инверторов напряжения подключены аккумуляторная батарея (АБ) и выходные зажимы выпрямителя АБП, который через разделительный понижающий трансформатор (TP) подключен к шинам РУс.н.1. Выпрямитель выполнен на базе неуправляемых диодов, а инверторы составлены из тиристоров.
У прототипа сохраняются перечисленные выше четыре недостатка СЭс.н.-аналога, к которым добавляются недостатки СЭс.н.-прототипа, обусловленные элементной базой выпрямителя и автономных инверторов АБП (пятый, шестой и седьмой недостатки СЭс.н.-прототипа).
Суть пятого недостатка СЭс.н.-прототипа заключается в том, что входные токи выпрямителя АБП и выходные токи инверторов АБП не синусоидальны, а близки по форме к трапеции. Высшие гармонические составляющие этих токов искажают форму напряжений потребителей с.н., подключенных к шинам РУс.н.1 и секции особо ответственных потребителей с.н. РУс.н.2, и создают дополнительные потери мощности во всех этих потребителях.
Шестой недостаток СЭс.н.-прототипа - это принципиальная невозможность изменить направление потока электроэнергии через неуправляемый выпрямитель. По этой причине, когда особо ответственные потребители с.н. переходят в генераторный режим работы, что требует изменения направления потока энергии в автономных инверторах (теперь он должен быть направлен от выходных зажимов инверторов к их входным зажимам, то есть к шинам постоянного тока 220 В). Из-за использования неуправляемого выпрямителя эта энергия может пойти только на увеличение напряжения АБ, которое станет больше номинального значения этого напряжения. При этом увеличится и выходное напряжение автономных инверторов, что нарушит режим работы особо ответственных потребителей с.н.
Седьмой недостаток СЭс.н.-прототипа - это усложнение СЭс.н., что связано с наличием АБ и шин постоянного тока 220 В.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение технико-экономических показателей СЭс.н., таких как снижение суммарной массы линий электропередачи СЭс.н., повышение коэффициента мощности, потребляемой от сборных шин ГРУ электродвигателями с.н., снижение максимальных значений токов всех потребителей с.н., обеспечение бесперебойного электроснабжения этих потребителей.
Сущность решения указанной проблемы заключается в том, что в СЭс.н., получающую питание от сборных шин главного распределительного устройства (ГРУ) ЭС, к которому подключены генераторы ЭС и трансформаторы, связывающие сборные шины ГРУ с распределительным устройством высшего напряжения ЭС, и содержащую распределительные щиты: РЩ1, к которому подключены первые потребители с.н., потребляющие электроэнергию ВН, и РЩ2, к которому подключены вторые потребители с.н., потребляющие электроэнергию НН,
дополнительно введены шины постоянного тока ВН, получающие питание от транзисторных управляемых выпрямителей напряжения, снабженных пусковыми устройствами этих выпрямителей и подключенных к сборным шинам ГРУ через эти пусковые устройства, система распределения, электроэнергии постоянного тока, подключенная к указанным шинам постоянного тока ВН, первые, вторые и третьи транзисторные автономные инверторы напряжения, снабженные пусковыми устройствами этих инверторов и подключенные своими входными зажимами, через эти пусковые устройства, к системе распределения электроэнергии постоянного тока, и транзисторные реверсивные преобразователи постоянного напряжения с симметричным управлением, снабженные пусковыми устройствами этих преобразователей, и подключенные своими входными зажимами, через эти пусковые устройства, к системе распределения электроэнергии постоянного тока, причем
два первых транзисторных автономных инвертора напряжения подключены своими выходными зажимами к распределительному щиту РЩ1, два вторых транзисторных автономных инвертора напряжения подключены своими выходными зажимами к распределительному щиту РЩ2, третьи транзисторные автономные инверторы напряжения подключены своими выходными зажимами к некоторым из третьих потребителей, которыми являются потребители с.н. переменного тока, которым требуются значения частоты и(или) напряжения, отличающиеся от частоты и(или) напряжения на выходных зажимах первых и вторых транзисторных автономных инверторов напряжения, а к выходным зажимам транзисторных реверсивных преобразователей постоянного напряжения с симметричным управлением подключены четвертые потребители с.н., являющиеся потребителями постоянного тока, которым требуются значения напряжения, отличающиеся от напряжения в системе распределения электроэнергии постоянного тока.
Поставленная задача достигается также тем, что микропроцессорные системы управления всех перечисленных транзисторных управляемых выпрямителей напряжения и транзисторных автономных инверторов напряжения придают этим устройствам энергетической электроники свойства обратимого преобразователя напряжения при максимально возможном значении коэффициента мощности на зажимах переменного тока, при работе преобразователя как в режиме управляемого выпрямителя, так и в режиме автономного инвертора напряжения.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признаки «дополнительно введены шины постоянного тока ВН, подключенные к сборным шинам ГРУ через транзисторные управляемые выпрямители напряжения, система распределения электроэнергии постоянного тока, подключенная к указанным шинам постоянного тока ВН, первые, вторые и третьи транзисторные автономные инверторы напряжения и транзисторные реверсивные преобразователи постоянного напряжения с симметричным управлением, подключенные своими входными зажимами к системе распределения электроэнергии постоянного тока», «первые транзисторные автономные инверторы напряжения подключены своими выходными зажимами к распределительному щиту РЩ1, к которому подключены первые потребители с.н., потребляющие электроэнергию ВН», и «вторые транзисторные автономные инверторы напряжения подключены своими выходными зажимами к распределительному щиту РЩ2, к которому подключены вторые потребители с.н., потребляющие электроэнергию НН», «третьи транзисторные автономные инверторы напряжения подключены своими выходными зажимами к некоторым из третьих потребителей», и «к выходным зажимам транзисторных реверсивных преобразователей постоянного напряжения с симметричным управлением подключены четвертые потребители» обеспечивают передачу и распределение электроэнергии через распределительную сеть постоянного тока, позволяют потреблять от сборных шин ГРУ электроэнергию переменного тока ВН при максимальном значении коэффициента мощности, равном 1, уменьшить массу распределительной сети в несколько раз, по сравнению с СЭс.н.-аналогом и СЭс.н-прототипом и получить форму выходных токов автономных инверторов напряжения практически синусоидальную, что дает возможность уменьшить потери мощности от токов высших гармоник в цепях, подключенных к этим инверторам потребителей переменного тока, в частности в двигателях переменного тока.
Признаки «транзисторные управляемые выпрямители напряжения, снабженные пусковыми устройствами этих выпрямителей и подключенные к сборным шинам ГРУ через эти пусковые устройства» позволяют избежать повреждения диодов, входящих в состав управляемых выпрямителей напряжения при их подключении к источнику напряжения переменного тока с незаряженными выходными конденсаторами этих выпрямителей.
Признаки «первые, вторые и третьи транзисторные автономные инверторы напряжения, снабженные пусковыми устройствами этих инверторов и подключенные своими входными зажимами, через эти пусковые устройства, к системе распределения электроэнергии постоянного тока» и «транзисторные реверсивные преобразователи постоянного напряжения с симметричным управлением, снабженные пусковыми устройствами этих преобразователей, и подключенные своими входными зажимами через эти пусковые устройства к системе распределения электроэнергии постоянного тока» позволяют избежать повреждения линий передачи от системы распределения электроэнергии постоянного тока до входных зажимов всех перечисленных устройств энергетической электроники, а также внешних и внутренних проводников, подключенных к зажимам входных конденсаторов этих устройств, при их подключении с незаряженными указанными конденсаторами к системе распределения электроэнергии постоянного тока.
На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема предлагаемой СЭс.н. ЭС. На фиг. 2 показана принципиальная схема четырехквадрантного импульсного преобразователя, который в зависимости от схемы подключения и направления мощности выполняет функции управляемого выпрямителя напряжения (УВН) или автономного инвертора напряжения (АИН).
СЭс.н. ЭС 1, подключенная к сборным шинам 2 ГРУ, к которым подключены также генераторы 3 ЭС и трансформаторы 4, связывающие сборные шины ГРУ с распределительным устройством 5 высшего напряжения ЭС, содержит распределительный щит РЩ1 6, к которому подключены первые потребители 7 с.н., потребляющие электроэнергию переменного тока ВН, распределительный щит РЩ2 8, к которому подключены вторые потребители 9 с.н., потребляющие электроэнергию переменного тока НН, шины постоянного тока ВН 10, подключенные к шинам ГРУ через управляемые выпрямители напряжения (УВН) 11, первые 12 транзисторные автономные инверторы напряжения (АИН), выходные зажимы которых подключены к РЩ1, вторые 13 транзисторные АИН, выходные зажимы которых подключены к РЩ2, и третьи 14 транзисторные АИН, выходные зажимы которых подключены к третьим потребителям 15 с.н., причем входные зажимы инверторов 12, 13 и 14 подключены к системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока, подключенной к шинам постоянного тока ВН 10. К системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока подключены также транзисторные реверсивные преобразователи постоянного напряжения (ТРППН) с симметричным управлением 17, выходные зажимы которых подключены к четвертым потребителям 18 с.н., которым требуются значения напряжения постоянного тока, отличающиеся от напряжения в системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока. Сборные шины 2 ГРУ, генераторы 3 электрической станции и трансформаторы 4, связывающие сборные шины ГРУ с распределительным устройством 5 высшего напряжения электрической станции могут являться для управляемых выпрямителей напряжения 11 трехфазным источником переменного тока 19.
В показанной на фиг. 2 принципиальной схеме подключение четырехквадрантного импульсного преобразователя показано в варианте его работы, соответствующем УВН. Существует несколько схем трехфазных УВН, но наибольшее применение получила изображенная на фиг. 2 трехфазная мостовая схема, в которой в качестве полностью управляемых вентилей используются транзисторы.
1
2
Питание УВН производится от трехфазного источника 19 переменного тока. Три фазные входные напряжения U, действующее значение которых в  меньше линейного ВН на сборных шинах 2 ГРУ, имеют общий нейтральный узел 0. Эти напряжения подключены к входным зажимам УВН, к которым внутри УВН подключены также три входных реактора 20, являющиеся обязательными элементами УВН, который также содержит вентильный коммутатор 21, состоящий из диодов 22 и транзисторов 23, и выходной конденсатор 24, который подключен к выходным зажимам вентильного коммутатора 21, подключенным к выходным зажимам УВН, обозначенным как + и -. Выходное напряжение УВН обозначено U.
2
Каждое из шести плеч УВН состоит из параллельно включенных диода 22 и транзистора 23. В каждую из трех стоек УВН входят два последовательно включенных плеча, при этом диоды 22 включены в обратном направлении, по отношению к напряжению U. Точки соединения плеч в стойках УВН через входные реакторы 20 подключены к входным зажимам УВН.
1
2
Входные токи I УВН проходят по обмоткам реакторов 20 и являются также входными токами вентильного коммутатора 21. Выходной ток вентильного коммутатора I имеет две составляющих: первая из них заряжает выходной конденсатор 24, а вторая питает нагрузку УВН.
Система электроснабжения собственных нужд электрической станции работает следующим образом.
1
1
n
1
Вначале к сборным шинам 2 ГРУ подключаются входные зажимы УВН 11 с незаряженными выходными конденсаторами 24. При этом у каждого УВН через обмотки входных реакторов 20, диоды 22 вентильного коммутатора 21 и выходной конденсатор 24 пойдет ток I, который станет заряжать конденсатор 24 в неуправляемом режиме. Сопротивления соединительных проводов и сопротивления диодов 22 в прямом направлении пренебрежимо малы по сравнению с индуктивными сопротивлениями входных реакторов 20, поэтому фактически только они, при нулевом напряжении выходных конденсаторов, ограничивают ток короткого замыкания, возникающего при подключении указанной цепи к источнику переменного тока. Индуктивность входных реакторов 20, которая выбирается по условию обеспечения максимального значения производной по времени тока I, соответствующего работе УВН в управляемом режиме в момент перехода этого тока через нулевое значение, слишком мала, и действующее значение указанного тока короткого замыкания в десятки раз превосходит длительно допустимое номинальное значение входного тока УВН, не разрушающее диоды 22 и провода, которые подключены к зажимам конденсатора 24 снаружи и внутри этого конденсатора. Для уменьшения пусковых токов различного оборудования и исключения тем самым повреждений элементов электрических цепей, по которым проходят эти токи, обычно используют токоограничивающие резисторы или реакторы. В [2: Патент RU 2593152. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока / Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Себто Ю.Г., Красковский М.В., Федюк Р.С. // Опубл. 27.07.2016. Бюл. №21] показано, что введение на время неуправляемого (без участия транзисторов 23) заряда конденсатора дополнительных, токоограничивающих реакторов, включаемых последовательно с входными реакторами 20, лучше, чем введение дополнительных токоограничивающих резисторов: при использовании реакторов меньше потери энергии в токоограничивающих элементах, а заряд конденсатора 24 в неуправляемом режиме до напряжения, практически равного амплитудному значению линейного напряжения трехфазного источника 19 переменного тока, происходит в несколько раз быстрее. После окончания неуправляемого заряда начинается стадия управляемого (с участим транзисторов 23) заряда конденсатора 24, которая происходит при периодических включениях и отключениях транзисторов 23. Когда какой-либо транзистор 23 выключается, то под действием напряжений: на сборных шинах 2 ГРУ, на выходном конденсатора 24 и на индуктивностях входных реакторов 20, этот ток станет проходить через диод 22, включенный встречно-параллельно указанному транзистору 23, и через конденсатор 24, увеличивая при этом его напряжение. Так как напряжения на индуктивностях входных реакторов 20, пропорциональны производным по времени токов, проходящих через реакторы 20, то это обстоятельство не допускает скачкообразных изменений токов реакторов от значений, имевших место перед отключением транзистора 23, до нулевых значений этих токов, обеспечивая прохождение их через диод 22. Стадия управляемого заряда продолжается, пока напряжение конденсатора 24 не станет равным номинальному значению U выходного напряжения УВН, которое обычно примерно на 15% превосходит амплитудное значение линейного напряжения трехфазного источника 19. При этом токи I имеют практически синусоидальную форму, а сдвиг их по фазе относительно фазных напряжений этого источника равен нулю. Работа УВН происходит описанным образом, как при отсутствии, так и при наличии нагрузки, подключаемой к выходным зажимам + и - УВН.
Первые потребители 7 с.н., вторые потребители 9 с.н., третьи потребители 15 с.н. и четвертые потребители 18 с.н. получают электроэнергию соответственно от первых 12, вторых 13 и третьих 14 транзисторных АИН, а также от ТРППН с симметричным управлением 17, что создает нагрузку системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока, к которой подключены входные зажимы всех перечисленных устройств энергетической электроники и, следовательно, УВН 11, питающим систему 16.
У всех перечисленных устройств энергетической электроники имеются входные конденсаторы весьма большой емкости (их называют супер конденсаторами), которые подключены к входным зажимам этих устройств. Если конденсаторы не заряжены предварительно, и их напряжение равно нулю, то при прямом подключении (без использования устройств предварительного заряда этих конденсаторов) входных зажимов указанных устройств к системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока возникнут токи короткого замыкания, подобные токам при подключении УВН с незаряженным конденсатором 24 к источнику переменного тока, что было показано выше. При подключении любого из указанных устройств ток короткого замыкания пройдет через входной конденсатор этого устройства, кабельную линию, соединяющую входные зажимы устройства с системой 16 распределения электроэнергии постоянного тока и автоматический выключатель, подключающий эту линию к системе 16 и защищающий ее от коротких замыканий в АИН а также в его нагрузке, или в ТРППН, а также в его нагрузке.
2
2
2
2
n
Оценить кратность амплитудного значения такого тока можно на основании результатов анализа переходного процесса подключения АИН с номинальной мощностью 80 кВт, которую этот АИН передает из сети постоянного тока потребителю переменного тока в управляемом режиме работы с номинальным входным напряжением 800 В и номинальным входным током 100 А. Емкость входного конденсатора этого АИН равна 0,6 Ф. Инвертор подключен к источнику постоянного тока с напряжением 800 В с помощью двухжильного кабеля с сечением жил 35 мм и длиной 5 м. Активное сопротивление такого кабеля равно 5,26 мОм, а его индуктивность составляет 0,0013 мГн. Максимальное значение пускового тока, проходящего по указанному кабелю и входному конденсатору инвертора, имеет место через 0,7 мс после подключения к источнику и составляет 130 кА. Такое амплитудное значение в 1300 раз превосходит номинальное значение входного тока рассматриваемого АИН. Тепловой импульс пускового тока равен 36,5 (кА)⋅с. Такой тепловой импульс выдерживают кабели с резиновой, или подобной ей по теплостойкости, изоляцией, если сечение их токоведущих жил больше 44 мм. Следовательно, для рассматриваемого примера кабель с сечением 35 мм выйдет из строя от перегрева пусковым током конденсатора. Амплитудное значение 130 кА не выдержит и автоматический выключатель с номинальным значением постоянного тока 100 А. Подобные выключатели допускают ток с амплитудным значением не более 75 кА. Напряжение в системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока, которое равно номинальному значению U выходного напряжения УВН 11, при напряжении на сборных шинах ГРУ, составляющем 6 кВ, равно 9760 В. Оно в 12,2 раза больше использованного в примере напряжения 800 В. Ориентировочно можно считать, что примерно во столько же раз вырастет максимальное значение пускового тока при прямом подключении входных зажимов перечисленных устройств энергетической электроники с незаряженными входными конденсаторами к системе 16. Конечно, для их подключения необходимо использовать устройства для предварительного заряда указанных конденсаторов. Можно рекомендовать использование устройства, защищенного патентом [3: Патент RU 2449458. Устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока / Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Коршунов А.В. // Опуб. Бюл. 2012, №31]. Это устройство, предназначенное для подключения АИН к источнику постоянного напряжения, выполнено на основе транзисторного импульсного преобразователя напряжения постоянного тока. Оно содержит предварительно заряжаемый конденсатор, реактор, два резистора, улучшающих процесс заряда этого конденсатора, и транзистор, который включается и выключается с периодом Т и коэффициентом заполнения импульса γ. При работе такого устройства этот коэффициент изменяется от 0 до 1. При этом напряжение предварительно заряжаемого конденсатора изменяется от нуля до 9760 В. Когда напряжение предварительно заряжаемого конденсатора достигнет определенного значения предварительно заряжаемый конденсатор подключается параллельно входному конденсатору АИН и оба конденсатора продолжают заряжаться с одинаковыми значениями своих напряжений.
n
Когда напряжение на входных зажимах любого из АИН 12, 13 и 14 достигнет номинального значения U напряжения системы 16 распределения электроэнергии постоянного тока, этот четырехквадрантный импульсный преобразователь начинает работать в инверторном режиме, передавая электроэнергию из системы 16 распределения электроэнергии постоянного тока первым, вторым или третьим потребителям с.н. переменного тока.
1
2
n
k
Теперь входными являются зажимы, которые на фиг. 2 обозначены как + и -. Эти зажимы подключены к источнику постоянного тока, роль которого играет система 16 распределения электроэнергии постоянного тока. Выходными зажимами АИН являются те, что расположены слева от реакторов 20. Вместо источника переменного тока 19 к выходным зажимам подключена нагрузка АИН, то есть какой-то из первых, вторых или третьих потребителей переменного тока. Возможно также подключение распределительного щита, от которого питаются несколько таких потребителей. Стрелки, указывающие направления токов I и I, изменяют свое направление. Вентильный коммутатор 21 работает в режиме широтно-импульсной модуляции. При этом выходные напряжения АИН представляют собой последовательности импульсов. Продолжительность и полярность их изменяются по синусоидальному закону. Основной гармоникой выходного напряжения является первая, имеющая номинальное значение частоты f, например 50 Гц. Фазные напряжения трехфазного АИН образуют прямую или обратную последовательность, что необходимо для вращения двигателя, получающего питание от АИН, в одном или другом направлении. Частота коммутации f транзисторов 23 превосходит 10 кГц. Поэтому кратные частоте коммутации высшие гармоники выходных напряжений АИН имеют ничтожно малые, по сравнению с основной гармоникой, амплитудные значения. Можно считать, что выходные напряжения АИН имеют практически синусоидальную форму. Коэффициент мощности, проходящей через выходные зажимы АИН равен 1, как при передаче мощности из системы 16 распределения электроэнергии постоянного тока потребителям с.н., так и при работе этих потребителей в генераторном режиме, от них в систему 16 распределения электроэнергии постоянного тока. В последнем случае АИН работает как УВН, благодаря тому, что он является четырехквадрантным импульсным преобразователем.
Если потребителем с.н. является АД или синхронный двигатель, то, как увеличение скорости двигателя (при его пуске или при переключении его с меньшей скорости на большую), так и уменьшении его скорости (при остановке двигателя или переключении его с большей скорости на меньшую) производятся при плавном изменении одновременно частоты и напряжения на выходе АИН. При передаче мощности в систему 16 распределения электроэнергии постоянного тока некоторые или все УВН 11 переходят в режим работы в качестве АИН, передающего энергию источникам, подключенным к шинам 2 ГРУ, благодаря тому, что УВН также являются четырехквадрантными импульсными преобразователями.
n
n
i
n
n
Когда напряжение на входных зажимах какого-либо из ТРППН с симметричным управлением 17 достигнет номинального значения U напряжения системы 16 распределения электроэнергии постоянного тока, этот ТРППН станет выдавать заданное значение своего выходного напряжения, необходимое соответствующему потребителю 18 постоянного тока. При этом осуществляется широтно-импульсное регулирование, при котором выходное напряжение представляет собой последовательность импульсов с постоянной амплитудой U и продолжительностью t. Период последовательности импульсов равен Т. При этом среднее значение выходного напряжения ТРПН равно , где  - это находящийся в пределах от нуля до 1 коэффициент регулирования, называемый также коэффициентом заполнения импульса. Вольт-амперные характеристики ТРППН 17 с симметричным управлением расположены во всех четырех квадрантах. Поэтому это устройство энергетической электроники, также как и АИН и УВН, обладает свойством обратимого преобразователя: электроэнергия в нем может передаваться как из системы с большим напряжением U в цепь с меньшим напряжением γU, когда потребитель с.н. 18 получает электроэнергию, так и в обратном направлении, когда этот потребитель генерирует электроэнергию.
Входные конденсаторы АИН и ТРППН, а также выходные конденсаторы УВН имеют емкости, которые измеряются десятыми долями фарады. В этих конденсаторах при номинальном их напряжении накапливается электроэнергия, достаточная для питания потребителей с.н. при кратковременных перерывах электроснабжения устройств энергетической электроники, которые могут возникать при отключениях линий, подключенных между входными зажимам этих устройств и выходными зажимами системы 16 распределения электроэнергии постоянного тока или при повреждении таких линий. Тем самым обеспечивается бесперебойное питание не отдельных потребителей с.н., как у прототипа, а всех потребителей с.н.
Так у рассмотренного выше в качестве примера АИН с номинальным входным напряжением 800 В и номинальным входным током 100 А емкость входного конденсатора С составляет 0,6 Ф. По потребляемой мощности такой АИН эквивалентен резистору, имеющему сопротивление R, которое равно 8 Ом. Расчет кратковременных переходных процессов можно вполне допустимо выполнять, рассматривая АИН с его входным конденсатором как параллельное соединение резистора и конденсатора с указанными значениями их сопротивления и емкости. Постоянная времени Т такой электрической цепи равна произведению R на С, что составляет 4,8 с. Конденсатор, при отключении его от источника питания, станет разряжаться по закону:
где относительное напряжение u выражено в долях от начального напряжения конденсатора, которое, в рассматриваемом примере, равно 800 В. Согласно существующим электротехническим стандартам двигатели переменного тока допускают кратковременное снижение напряжения на своих входных зажимах до 25% от номинального напряжения на время до 1,5 с. Относительному напряжению 0,75 по формуле (1) соответствует время 1,38 с, что меньше 1,5 с. Таким образом, АД или синхронный двигатель, подключенные к рассматриваемому АИН обеспечиваются бесперебойным питанием даже только за счет электроэнергии, накопленной только во входном конденсаторе АИН, без учета выходных конденсаторов УВН Это свойство предлагаемой СЭс.н. безусловно обеспечивается и при других значениях напряжения в системе 16 распределения электроэнергии постоянного тока, не только при 800 В, но и, например, при 9760 В.
Технический результат, который достигается изобретением, выражается в следующем
Большая часть электрической мощности, отдаваемой потребителям с.н., передается через распределительную сеть постоянного тока, благодаря чему в несколько раз снижается суммарная масса линий электропередачи СЭсн и исключаются потери напряжения в индуктивных сопротивлениях основной совокупности элементов системы распределения электроэнергии переменного тока.
Коэффициент мощности, потребляемой для с.н. от сборных шин ГРУ, достигает максимума, то есть его значение равно 1 при практически синусоидальной форме потребляемых токов.
Максимальные значения токов всех потребителей с.н. лишь незначительно превосходят номинальные значения этих токов, что исключает возможность повреждений изоляции, которые имели место у потребителей СЭс.н.-аналога и СЭс.н.-прототипа под действием электродинамических усилий пусковых и сверхтоков, и исключает значительные провалы напряжения в системе распределения электроэнергии СЭс.н.
Микропроцессорные системы управления всех управляемых выпрямителей напряжения и автономных инверторов напряжения придают этим устройствам энергетической электроники свойства обратимого преобразователя напряжения при максимально возможном значении коэффициента мощности на зажимах переменного тока. В результате, при переходе любого потребителя с.н. в генераторный режим вырабатываемая им электроэнергия передается другим потребителям с.н. и источникам, подключенным к сборным шинам ГРУ.
Перерыв питания любого потребителя с.н. длится не больше чем доли секунды, что обеспечивает бесперебойное электроснабжение всех потребителей с.н. и тем самым исключает усложнение СЭс.н., вызванное введением АБ и шин постоянного тока 220 В.
Источники информации
1. Козлов А.Н., Ротачёва. А.Г., Тоушкин А.Г., Козлов В.А. Собственные нужды тепловых, атомных и гидравлических электрических станций и подстанций. Учебное пособие. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2008, 280 с:
(Аналог - С. 79-98, рис. 38 и 39).
(Прототип - С. 79-98, рис. 38, 39 и 42).
2. Патент RU 2593152. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока / Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Себто Ю.Г., Красковский М.В., Федюк Р.С. // Опубл. 27.07.2016. Бюл. №21.
3. Патент RU 2449458. Устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока / Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Коршунов А.В. // Опубл. Бюл. 2012, №31.