СИСТЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ СРЕДНЕГО И ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
OVERVOLTAGE LIMITATION SYSTEM FOR MEDIUM AND HIGH VOLTAGE

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Эта заявка притязает на приоритет из предварительной заявки на патент 62/010746, поданной 11 июня 2014 года, которая полностью содержится в данном документе по ссылке.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Изобретение относится к системе ограничения перенапряжений для систем среднего и высокого напряжения электроэнергетической сети.
Уровень техники
[0003] Современные системы ограничения перенапряжений разработаны для того, чтобы защищать оборудование от изменений напряжения в переходном процессе на одной стороне шины трехфазного источника электроэнергии, используемой в промышленных окружениях, к примеру, на станциях, заводах или других крупномасштабных системах. В одном известном ограничителе скачков напряжения, три однофазных трансформатора содержат контактные выводы, которые соединены через размыкатель с предохранителем с соответствующим однофазным источником электроэнергии на шине источника электроэнергии. Этот ограничитель перенапряжений защищает от изменений напряжения в переходном процессе, которые могут серьезно повреждать или уничтожать оборудование, подключенное к действующей трехфазной схеме, или могут приводить к прекращениям подачи энергии через станцию. Схема ограничителя перенапряжений работает в качестве средства защиты от перенапряжений и коротких замыканий для любого оборудования на силовой шине. Эта система ограничителей перенапряжений является применимой в распределительных системах на 480 Вольт, питаемых посредством незаземленного силового дельта-трансформатора на 2000-3000 кВА, который питает приблизительно 1000 футов шинопровода, так что, в общем, имеется приблизительно 1-3 ампера зарядного тока. Этот зарядный ток, в общем, может составлять чуть более 2 ампер за счет фактической силы тока, определенной посредством показаний, собираемых на месте, при этом варьирования обусловлены длинами питающего кабеля и шинопровода, а также числом и размером электромоторов и конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, работающих в любой момент времени. Более типично, схемы заземления через сопротивление постоянно разряжают этот заряд на землю, чтобы помогать предотвращать проблемы при заземлении. Известный ограничитель перенапряжений подключается к сборным шинам и не разряжает эту энергию на землю, а использует эту энергию заряда для того, чтобы помогать стабилизировать и балансировать фазные напряжения на землю.
[0004] Этот известный ограничитель перенапряжений устанавливается и защищает оборудование, подключенное к шине источника электроэнергии на объектном уровне. Тем не менее, существует потребность в системе ограничителей перенапряжений для электрических систем среднего и высокого напряжения в энергосети, расположенной за пределами и удаленно от промышленной системы энергоснабжения со сборными шинами.
[0005] Электроэнергетическая сеть состоит из множества компонентов, которые обобщенно описываются как генераторы, трансформаторы, провода передающей и распределительной сети и средства управления. Генераторы работают за счет множества форм энергии, таких как уголь, природный газ, ядерное деление, гидроэлектроэнергия, солнечная энергия и даже ветер, помимо прочего. После того, как мощность создается при относительно низком напряжении приблизительно в 6000 Вольт, ее напряжение повышается до высокого напряжения (зачастую в сотнях тысяч) с использованием крупногабаритных силовых трансформаторов (LPT), которые обеспечивают более эффективную доставку электричества по милям проводов (передающей сети) высокого натяжения. После того, как электричество достигает общей области, в которой оно используется, его напряжение затем обратно понижается ближе к конечному напряжению в распределительных станциях/подстанциях. Распределительные линии переносят электричество фактически низкого напряжения на придорожных опорах линии электропередач или под землей в конечный трансформатор перед доставкой в здания для использования.
[0006] Настоящее изобретение представляет собой систему ограничителей перенапряжений, которая улучшает существующие продукты на основе фазных суммирующих схем, разработано с возможностью предоставлять защиту на уровне энергосети для жилых домов и промышленных объектов до доставки мощности в эти конструкции, так что они могут противостоять большим напряжениям, предоставлять мониторинг и связь из удаленных окружений и предоставлять более надежные платформы установки, и конфигурирует систему устройств защиты от перенапряжений параллельно, чтобы защищать варианты применения на уровне энергосети на обеих сторонах энергосистемы, в которых существует потребность в том, чтобы повышать или понижать напряжение мощности.
[0007] В системе среднего или высокого напряжения, настоящее изобретение должно быть выполнено с возможностью справляться с большими и быстрыми "отводами" энергии, предотвращать помехи от высокого напряжения/высокого магнитного потока, обеспечивать удаленное обслуживание эксплуатационных параметров и увеличивать защиту, по мере необходимости, от физических атак и серьезных повышенных напряжений. Когда изобретение устанавливается параллельно с критической инфраструктурой энергосети, компоненты энергосети защищены от следующего.
[0008] Переходные процессы: Импульсный переходный процесс представляет собой то, что подразумевает большинство людей, когда они говорят, что подвергнуты перенапряжению или выбросу. Множество различных терминов, такие как толчок, всплеск, скачок мощности и выброс, используются для того, чтобы описывать импульсные переходные процессы. Причины импульсных переходных процессов включают в себя молнию, плохое заземление, переключение индуктивных нагрузок, устранение коротких замыканий в энергокомпании и электростатический разряд (ESD). Результаты могут колебаться от потерь (или повреждения) данных до физического повреждения оборудования. Из этих причин молния является, вероятно, наиболее разрушительной. Устройства ограничителя перенапряжений настоящего изобретения предоставляют защиту на уровне энергосети от таких переходных процессов.
[0009] Прерывания: Прерывание задается как полная потеря напряжения электроэнергии или тока нагрузки. Причины прерываний могут варьироваться, но обычно являются результатом некоторого типа повреждения питающей электросети, такого как удары молнии, животные, деревья, дорожно-транспортные происшествия, разрушительная погода (сильные ветры, сильный снегопад или лед на линиях и т.д.), отказ оборудования или срабатывание базового автоматического прерывателя. Хотя инфраструктура энергокомпании сконструирована с возможностью автоматически компенсировать многие из этих проблем, она не является абсолютно надежной.
[0010] Падение/пониженное напряжение: Падение является уменьшением переменного напряжения на данной частоте в течение определенной длительности 0,5 циклов в 1 минуту. Падения обычно вызываются посредством системных коротких замыканий, а также являются зачастую результатом включения нагрузок с сильными пусковыми токами.
[0011] Нарастание/повышенное напряжение: Нарастание является обратной формой падения, имеющей увеличение переменного напряжения в течение определенной длительности 0,5 циклов в 1 минуту. Для нарастаний, высокоимпедансные нейтральные подключения, внезапные (в частности, большие) уменьшения нагрузки и однофазное короткое замыкание в трехфазной системе являются общими источниками.
[0012] Варьирования частоты: Имеются все виды проблем, связанных с частотой, из смещений, провалов, гармоник и межгармоник; но все они представляют собой условия, которые возникают в основном в энергосистеме конечного пользователя. Эти варьирования происходят, поскольку гармоники из нагрузок являются более вероятными в меньших системах со звездообразным соединением. Высокочастотные варьирования, которые могут приводить к отказу крупной взаимосоединенной энергосети, исходят из солнца или вражеской атаки. Повреждение только нескольких ключевых инфраструктурных компонентов может приводить к длительному нарушению энергоснабжения и сопутствующему повреждению прилегающих устройств. Солнечные вспышки являются природными явлениями, которые варьируются в серьезности и направлении. Эта "солнечная активность" отправляется с поверхности солнца во всей нашей солнечной системе во всех направлениях. Эти вспышки содержат большие величины магнитной энергии и в зависимости от того, как они попадают в землю, могут приводить к повреждению компонентов на поверхности или посредством временного изменения свойств магнитного ядра планеты. В любом случае, прямое попадание большой доли может приводить к отказу оборудования и нарушать энергоснабжение целых регионов. Электромагнитные импульсы (EMP) могут использоваться точно так же, но направляться посредством вражеских боевиков в форме высотного ядерного взрыва. Тщательно подготовленный взрыв над Цинциннати, Огайо может нарушить энергоснабжение 70% населения Америки. Повреждение крупногабаритных силовых трансформаторов или генераторов может требоваться месяцев на ремонт. Высокочастотное возмущающее воздействие ядерных взрывов может уничтожить незащищенные компоненты во многом похоже на то, как голос оперного певца может разбивать стекло. Абсолютная величина каждого возмущающего воздействия может зависеть от источника, но оно может эффективно уменьшаться с помощью системы стабилизации фазного напряжения, такой как изобретение.
[0013] Современная технология ограничения перенапряжений может пытаться разрешать эти возмущающие воздействия на стороне объекта системы распределения электроэнергии, с тем чтобы непосредственно защищать оборудование в объекте, а также на уровне энергосети, но эти технологии обладают недостатками в защите от этих возмущающих воздействий.
[0014] В качестве одного примера известной технологии ограничения перенапряжений, конденсаторы являются тонкими проводами, отделенными посредством даже более тонких слоев изоляции. Конденсаторы имеют расчетные номинальные характеристики для тока и напряжения. Если эти номинальные характеристики не превышаются, типично они должны работать в течение 10-15 лет. Один выброс высокого напряжения может (и, в общем, должен) приводить катастрофическому отказу конденсаторов. На заводах с 4000 конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, стандартно 300-500 конденсаторов отказывают каждый год вследствие высокого гармонического тока или выбросов высокого напряжения.
[0015] В другом примере, SPD (устройства защиты от перенапряжений) представляют собой твердотельные устройства, сконструированные с различными размерами. Аналогично конденсаторам, их номинальные характеристики также задаются по току и напряжению. Когда MOV (металлооксидный варистор) подвергается множеству выбросов напряжения низкого уровня, его характеристики ухудшаются, и "фиксирующее напряжение" повышается, когда MOV ломается, позволяя фиксирующему напряжению продолжать повышаться до тех пор, пока он более не защищает оборудование, для защиты которого он установлен. Когда выброс напряжения подвергает MOV действию выше номинального напряжения, он начинает проводить тысячи ампер на землю, вызывая шум в системе заземления и очень высокую температуру в SPD. Если событие длительнее нескольких миллионных секунды, MOV может быть уничтожен и в силу этого более не защищает оборудование, для защиты которого он установлен.
[0016] Дополнительно, клетки Фарадея используются в течение многих лет для того, чтобы размещать и защищать компьютерные аппаратные средства и конфиденциальные данные на заводах, а также некоторые правительственные или военные здания. Они в последнее время рекламируются в качестве решения проблем солнечных вспышек, молний и EMP-импульсов. Тем не менее, большинство зданий не строятся в металлическом ограждении, и затруднительно и дорого надлежащим образом конструировать и строить эти ограждения. Большинство автомобилей, грузовиков, поездов и самолетов полностью покрываются посредством корпуса из металла, но они не предлагают защиты ни от одного из этих событий. В силу конструкции, металлическое ограждение должно иметь подходящее одножильное заземляющее соединение, поскольку оно в значительной степени основывается на ограждении и экранировании чувствительного электрооборудования и извлечении энергии посредством ее отвода на землю. Энергетическая компания использует конструкцию в форме клетки Фарадея на некоторых связывающих подстанциях энергосети. Они являются чрезвычайно большими и дорогими.
[0017] Наибольшая угроза энергосети/LPT заключается в наличии электромагнитного импульса (EMP) или геомагнитного возмущения (GMD), причем второе из указанного должно начинаться качестве солнечной вспышки, а первое из указанного должно исходить из вражеского вооружения. Любая угроза может приводить к насыщению перегруженного LPT мощностью и приводить к перегоранию трансформатора. При EMP, насыщение может происходить менее чем за секунду, так что системы обнаружения являются бесполезными.
[0018] GMD медленнее вызывает повреждения, так что системы определения могут уменьшать нагрузку на трансформатор, что позволяет ему выдержать внештатную ситуацию по GMD. Это состояние частичного или временного полного нарушения энергоснабжения может длиться минуты, часы или дни в зависимости от серьезности солнечной бури. В случае бури Каррингтона 1869 года Земля бомбардировалась солнечной магнитной энергией в течение почти месяца. Хотя энергосеть может переживать такое событие в случае надлежащего управления, вряд ли население будет в восторге, если останется без энергоснабжения столь долго.
[0019] Если упростить, крупногабаритные силовые трансформаторы не могут быть защищены с помощью старой технологии, такой как клетки Фарадея. Сотни милей провода, которые соединяют LPT с подстанциями вниз по линии, действуют как антенны и собирают EMP с такой эффективностью, что Фарадеи не имеют значение. Устройства защиты от перенапряжений не являются достаточно быстрыми, чтобы фиксировать EMP, который возникает за одну миллионную секунды, или справляться с массивным потоком электронов, который возникает на уровне передачи, без предоставления возможности току разряжаться в LPT, что в конечном счете имеет идентичный эффект с незащищенной системой. Системы заземления пытаются направлять добавочный ток из EMP на глиняные заземляющие щупы или коврики, но эта избыточная энергия с большой вероятностью находит путь обратно в энергосистему через заземляющую шину и приводит к перегоранию.
[0020] Настоящее изобретение относится к системе блоков ограничителя перенапряжений, соединенных в нескольких местоположениях в энергосети, чтобы предоставлять защиту на уровне энергосети от различных возмущающих воздействий до того, как такие возмущающие воздействия могут достигать или затрагивать оборудование объектного уровня. Преимущество изобретения является значительным для защиты вариантов применения на уровне энергосети. В силу уникальной применимости и замысла настоящей заявки, блоки ограничителя перенапряжений настоящего изобретения эффективно предотвращают оказание влияния на энергосеть посредством крупных выбросов напряжения и тока. Помимо этого, блоки ограничителя перенапряжений включают в себя различные признаки интеграции, которые предоставляют возможности диагностики и удаленного формирования отчетов, требуемые посредством большинства операций энергокомпании. В связи с этим, блоки ограничителя перенапряжений защищают компоненты уровня энергосети от крупных событий, таких как естественные геомагнитные возмущения (солнечные вспышки), экстремальные электрические события (молнии) и обусловленные человеческим фактором события (EMP) и каскадные отказы в электроэнергетической сети. Изобретение также обеспечивает существенную защиту от вспышек дугового разряда и уменьшает гармоники напряжения, которые существуют в "нормальном" нормальном режиме работы энергосети.
[0021] Признаки формирования отчетов изобретаемого блока ограничителя перенапряжений также являются уникальными для защиты систем среднего и высокого напряжения, которые зачастую находятся в удаленных или изолированных окружениях. В отличие от устройств, сконструированных с возможностью защищать локальное оборудование и инфраструктуру низкого напряжения, формирование диагностических отчетов в реальном времени из блока ограничителя перенапряжений является критическим для того, чтобы обеспечивать то, что он работает эффективно и обеспечивает непрерывную защиту, требуемую для того, чтобы защищать такие энергосистемы, как американская электроэнергетическая сеть.
[0022] Как пояснено, различные известные технологии (к примеру, MOV, клетки Фарадея, даже аналогичные устройства, сконструированные с размыкателями с предохранителем) также пытаются корректировать дисбалансы напряжений. Эти устройства либо не предоставляют масштабируемость к требованиям по напряжению на уровне энергосети, либо "перегорают", когда прикладывается значительное напряжение. Эти технологии также не предоставляют формирование отчетов, удаленную диагностику или защиту от сопутствующих опасностей, таких как вспышки дугового разряда или локализованная перегрузка по напряжению. Система ограничителей перенапряжений настоящего изобретения предоставляет каждое из этих преимуществ, а также является полностью масштабируемой для различных вариантов применения на уровне энергосети.
[0023] Другие цели и назначения изобретения и его изменений должны становиться очевидными после прочтения нижеприведенного подробного описания и изучения прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
[0024] Фиг. 1A является схематическим видом интерфейсов электроэнергетической сети с системой блоков ограничителя перенапряжений, соединенных с ними в различных местоположениях в питающей электросети.
[0025] Фиг. 1B является увеличенным частичным видом по фиг. 1, показывающим передающую энергосеть.
[0026] Фиг. 1C является увеличенным частичным видом по фиг. 1, показывающим распределительную энергосеть.
[0027] Фиг. 2 иллюстрирует типичный режим короткого замыкания.
[0028] Фиг. 3 схематически иллюстрирует сценарий (20) защиты для компонентов уровня энергосети (например, подстанций) на уровне энергосети.
[0029] Фиг. 4 иллюстрирует блок (30) ограничения перенапряжений, состоящий из групп трехфазных трансформаторов с шунтированным подключением, которые упоминаются как полные блоки (21, 22 и 23) на фиг. 3.
[0030] Фиг. 5 иллюстрирует систему удаленного мониторинга.
[0031] Фиг. 6 является графиком, показывающим результаты тестирования блока ограничителя перенапряжений, установленного в трехфазной схеме в случае подвергания воздействию E1 EMP-импульсной компоненты.
[0032] Фиг. 7 является графиком, показывающим результаты тестирования блока ограничителя перенапряжений, установленного в трехфазной схеме в случае подвергания воздействию E2 EMP-импульсной компоненты.
[0033] Фиг. 8 является графиком, показывающим результаты тестирования блока ограничителя перенапряжений, установленного в трехфазной схеме в случае подвергания воздействию E3 EMP-импульсной компоненты.
[0034] Фиг. 9 является графиком, показывающим результаты тестирования блока ограничителя перенапряжений, установленного в трехфазной схеме в случае подвергания воздействию E3 EMP-импульсной компоненты с исключенным угрожающим импульсом.
[0035] Определенная терминология используется в нижеприведенном описании только для удобства и ссылки и не является ограничивающей. Например, слова "вверх", "вниз", "вправо" и "влево" означают направления на чертежах, на которые задается ссылка. Слова "внутрь" и "наружу" означают направления к и от, соответственно, геометрического центра компоновки и ее указанных частей. Упомянутая терминология включает в себя слова, конкретно упомянутые, их производные и слова с аналогичным смыслом.
Подробное описание изобретения
[0036] Ссылаясь на фиг. 1A-1C, показана обобщенная система 10 распределения электроэнергии, которая раскрывает различные компоненты энергосистемы на уровне энергосети, которые подают мощность отдельным потребителям на объектном уровне. Для целей этого раскрытия сущности, объектный уровень включает в себя промышленные и заводские объекты и т.п., а также жилые объекты, такие как дома и многоквартирные жилые здания. Эти конструкции включают в себя различные типы устройств потребления мощности или потребителей мощности, к примеру, различные типы оборудования, электромоторов и приборов. Автономные устройства потребления мощности также питаются посредством электроэнергетической сети, такие как уличные светофоры и другие потребители мощности.
[0037] Более конкретно, система 10 распределения электроэнергии включает в себя передающую энергосеть 11 при высоких уровнях напряжения и сверхвысоких уровнях напряжения и распределительную энергосеть 12 при средних уровнях напряжения, которая в свою очередь подает более низкий уровень мощности на объектном уровне в жилые дома, заводы и т.п. Фиг. 1B показывает различные источники энергоснабжения, которые вырабатывают мощность при сверхвысоких напряжениях, такие как угольная станция, атомная станция и гидроэлектростанция. Они могут подавать мощность через повышающие трансформаторы 13 в передающую энергосеть 14 сверхвысокого напряжения. Эта энергосеть 14, в свою очередь, может подключаться к энергосети 15 высокого напряжения через сеть трансформаторов 16, причем эта энергосеть 15 подключается к различным объектам энергосети, таким как промышленная электростанция, завод или электростанция среднего размера через соответствующие сети трансформаторов 17. Обычно, среднее напряжение означает диапазон 10-25 кВ или выше, который типично переносится в распределительной энергосети и может включать в себя напряжения выработки, высокое напряжение означает диапазон 132-475 кВ, который может существовать в передающей энергосети, и сверхвысокое напряжение находится в диапазоне 500-800 кВ, который также типично переносится в передающей энергосети. Эти напряжения уровня энергосети значительно выше низких напряжений, предоставляемых в объекте или другой аналогичной конструкции.
[0038] Передающая энергосеть 11, в свою очередь, может подключаться к распределительной энергосети 12 среднего напряжения (фиг. 1C) через сеть трансформаторов 18. В свою очередь, городская энергосеть 12 может включать в себя различные объекты, такие как общегородские электростанции, промышленные потребители, солнечные электростанции, ветровые электростанции, сельскохозяйственные фермы, сельские сети жилых домов или общегородские распределительные сети. Различные трансформаторы 18 предоставляются для того, чтобы соединять эти компоненты системы 10 распределения электроэнергии. В общем, настоящее изобретение относится к системе ограничителей перенапряжений, которая устанавливается в различных местоположениях в системе 10 распределения электроэнергии, чтобы предоставлять подавление перенапряжений на уровне энергосети и за счет этого защищать различные объекты, в которые подается мощность из системы 10 распределения электроэнергии. Эти различные трансформаторы могут иметь различные типы и конфигурации, к примеру, повышающие и понижающие трансформаторы, а также подстанционные трансформаторы, установленные на подстанциях, или снабжающие трансформаторы, которые служат для того, чтобы обеспечивать питание отдельных потребителей.
[0039] Изобретение относится к системе блоков 20 ограничителя скачков напряжения, которые устанавливаются в различных местоположениях в распределительной электроэнергетической сети 10, чтобы предоставлять трехфазную защиту на уровне энергосети для различных объектов, которые принимают мощность или подают мощность в такую энергосеть 10. Фиг. 3, в общем, иллюстрирует систему из нескольких блоков 20 ограничителя перенапряжений, которые различаются между собой на фиг. 3 посредством ссылок с номерами 21, 22 и 23. Эти блоки 21, 22 и 23 ограничителя перенапряжений имеют размер согласно конкретному местоположению установки и уровням напряжения, присутствующим в системе 10 распределения электроэнергии в таких местоположениях. Обычно, электроэнергетическая сеть использует различные трансформаторы, описанные выше, при этом характерный трансформатор 24 энергосети по фиг. 3 представляет собой один из различных трансформаторов, используемых в передающей энергосети 11 или распределительной энергосети 12. Трансформатор 24 включает в себя катушку 24P на первичной стороне, которая подключается к трем линиям 25A, 25B и 25C электроснабжения, которые подают мощность, например, из вырабатывающей станции и т.п. в трансформатор 24 энергосети. Трансформатор 24 включает в себя катушку 24S на вторичной стороне, которая подключается к линиям 26A, 26B и 26C электропередачи для подачи мощности в нижерасположенные компоненты электроэнергетической сети. В этом примерном варианте осуществления, трансформатор 24 повышает напряжение мощности с 6 кВ, принимаемых из линий 25A, 25B и 25C электроснабжения на стороне выработки, до 300 кВ, подаваемых в линии 26A, 26B и 26C электроснабжения энергосети. Следует понимать, что напряжения для первичной и вторичной сторон трансформатора 24 могут варьироваться в зависимости от местоположения в электроэнергетической сети, при этом уровни напряжения могут быть средними или высокими напряжениями.
[0040] Блок 21 ограничителя перенапряжений подключается к линиям 25A, 25B и 25C электроснабжения для выработки и катушке 24P на первичной стороне, чтобы защищать от различных переходных условий, описанных выше, что за счет этого защищает первичные катушки 24P и вышерасположенные генераторы мощности, а также все вышерасположенные компоненты и оборудование энергосети. Блок 22 ограничителя перенапряжений в свою очередь подключается к линиям 26A, 26B и 26C энергосети или электропередачи и катушке 24S на вторичной стороне, чтобы защищать от различных переходных условий, описанных выше, что за счет этого защищает вторичные катушки 24S, а также нижерасположенные линии 26A, 26B и 26C электропередачи, а также все подключенное оборудование и компоненты энергосети. Кроме того, блок 23 ограничителя перенапряжений может представлять собой блок на 480 В или с другим подходящим уровнем напряжения, подходящим для того, чтобы защищать системные схемы и логику.
[0041] Ссылаясь на фиг. 4, каждый блок 21, 22 и 23 ограничителя перенапряжений, в общем, может использовать конструкцию 20 блока ограничителя перенапряжений (фиг. 4), которая содержит последовательность групп 31, 32 и 33 трехфазных трансформаторов с шунтированным подключением, которые сконструированы с возможностью корректировать фазовые нейтральные дисбалансы напряжений посредством подачи их обратно на себя и/или отвода дисбалансов на группу интегральных резисторов, которая соединена проводами со вторичной стороной системы, как также показано на фиг. 4. Каждая группа 31, 32 и 33 трансформаторов включает в себя первичные катушки 31P, 32P и 33P, которые подключаются и принимают мощность из одной из линий L1, L2 и L3 электропередачи системы, которая может иметь средние или высокие напряжения, присутствующие в электроэнергетической сети. Первичные катушки 31P, 32P и 33P также подключаются к земле 34. Линии L1, L2 и L3, например, могут подключаться к линиям 26A, 26B, 26C электропередачи (фиг. 3) и питаться посредством генератора мощности и мегатрансформаторов, показанных на фиг. 4, или линиям 25A, 25B, 25C в примере по фиг. 3.
[0042] Каждая группа 31, 32 и 33 трансформаторов также включает в себя вторичные катушки 31S, 32S и 33S, которые соединены последовательно между собой и имеют резистор 35, соединенный последовательно с ними. Последовательно соединенный резистор 35 предоставляет как фильтрацию шума, так и тракт разряда для энергии в ходе режима пониженного энергопотребления, будь оно намеренным или вызываемым посредством природного явления. Резистор 35 также помогает отводить системную энергию, чтобы предотвращать вспышку дугового разряда, поскольку вспышка дугового разряда является последовательным явлением. Посредством поддержания оставшихся фаз в ходе короткого замыкания, повышение напряжения не может возникать и просто позволяет схемной защите размыкать схему без события вспышки. Эта повышенная стабильность обеспечивает более чистый поток электронов и в равной степени повышает безопасность потока для компонентов и персонала. Другими словами, блок 30 защиты от перенапряжений балансирует напряжение на стороне "нагрузки". Поскольку вспышка возникает, по сути, на стороне "источника", напряжение на дуге является минимальным, и дуга будет подавляться.
[0043] Каждый блок 20 ограничителя перенапряжений использует автоматический прерыватель 36, управляющий мощностью из каждой из линий L1, L2 и L3, который может программироваться с возможностью быстро перезагружаться и может задаваться масштабируемым к требованиям по среднему и высокому напряжению. Автоматический прерыватель 36 также может управляться вручную для установки и замены блока 20 ограничителя перенапряжений, или другое коммутационное устройство может быть включено, чтобы предоставлять ручное переключение блока 20 ограничителя перенапряжений. В зависимости от требований энергетической компании, дополнительная защита, в форме металлооксидных варисторов, может последовательно вставляться в качестве вторичной схемы, когда возникает серьезное повышенное напряжение.
[0044] При этой конструкции, блок 20 ограничителя перенапряжений за счет этого балансирует фазные напряжения относительно земли посредством проталкивания чистого тока со сдвигом фаз в фазу с наименьшим фазным напряжением. Компоненты предпочтительно представляют собой согласованные однофазные трансформаторы 31, 32 и 33 и в этом постоянном решении имеют размер согласно классу напряжения и кВА, в котором должен использоваться конкретный блок 20 ограничителя перенапряжений. Спецификация напряжения определяет то соответствующие отношения витков, требуемые для того, чтобы надлежащим образом задавать размеры каждого блока 30 ограничителя перенапряжений для его местоположения установки. Все три трансформатора 31, 32 и 33 разнесены друг от друга посредством IEEE-стандартов, чтобы предотвращать образование дуги или магнитный поток между каждой фазой. В зависимости от конкретных требований, блоки 20 ограничителя перенапряжений изобретения могут использовать подземную установку с погруженными в масло/охладитель группами 35 резисторов и трансформаторами 31, 32, 33 с масляным охлаждением. Эти варианты обеспечивают более близкую расстановку (меньшее место) и требуют меньше механического или свободного воздушного охлаждения. Эти варианты также исключают оборудование из зоны видимости при военных действиях.
[0045] В ходе установки, каждый блок 20 ограничителя перенапряжений соединен проводами параллельно с энергосистемой, например, как видно на фиг. 3. Дополнительно, блок 20 ограничителя перенапряжений, такой как блок 22 на фиг. 3, может защищать от вторичной стороны 24S силового трансформатора 24 до первичной стороны нижерасположенного трансформатора, чтобы обеспечивать расширенную защиту, охватывающую диапазон от блоков 20 ограничителя перенапряжений до других компонентов энергоснабжения, соединенных с ними. Например, блок 20 ограничителя перенапряжений может защищать от вторичной стороны LPT вниз до первичных обмоток следующего понижающего трансформатора. Дополнительные блоки 20 ограничителя перенапряжений должны устанавливаться в следующей части энергосистемы с пониженным напряжением, начиная со вторичного устройства этого распределительного трансформатора вниз до первичного устройства в следующем трансформаторе и т.д. Каждый блок 20 ограничителя перенапряжений должен разрабатываться и конструироваться с возможностью работать с напряжением источника электроэнергии и номинальными характеристиками по VA трансформатора, который он сконструирован с возможностью защищать, так что блоки 20 ограничителя перенапряжений с разным размером и номинальными характеристиками должны устанавливаться в электроэнергетической сети в зависимости от местоположения установки. Эта расширенная защита также является справедливой от источника выработки до первичной стороны 24P в начальном трансформаторе 24, который защищен посредством блока 21 ограничителя перенапряжений на фиг. 3. Все соединенные компоненты защищены, и блок 20 ограничителя перенапряжений настоящего изобретения стабилизирует дисбалансы, вызываемые посредством активности нижерасположенных компонентов или непосредственно на линии.
[0046] Дополнительно, энергосистема не должна выключаться для того, чтобы соединять блоки 20 ограничителя перенапряжений. Автоматический прерыватель 36 или другое подходящее размыкающее устройство 36a может управляться вручную, так что монтеры энергокомпании могут "на лету" отводить устройства 20 ограничителя перенапряжений в систему и затем включать каждый блок 30 ограничителя перенапряжений посредством использования размыкающего переключателя 36a.
[0047] Эта система блоков 20 ограничителя перенапряжений предоставляет коррекцию коэффициента мощности (PFC) посредством необязательного введения продуктов регулирования мощности (например, конденсаторов 37), чтобы помогать оптимизировать ток промышленной частоты, повышая эффективность энергии.
[0048] Предпочтительно, блок 20 ограничителя перенапряжений (фиг. 4) также включает в себя один или более соответствующих датчиков 38, которые предпочтительно включают в себя датчик тока. Датчик 38 подключается к системе 39 управления для обнаружения и мониторинга датчика 38. Система 39 управления также может включать в себя признаки удаленной диагностики (на основе веб-технологий) и формирования отчетов, к примеру, показанные в представлении 40 данных по фиг. 5. Представление 40 данных может быть расположено удаленно от различных блоков 40 ограничителя перенапряжений для мониторинга посредством персонала энергокомпании, к примеру, через компьютерный терминал. Представление 40 данных предпочтительно показывает информацию относительно коротких замыканий (дисбалансов), которая превентивно передается и может отслеживаться из удаленных местоположений. Представление 40 данных включает в себя несколько отображаемых графиков 41, 42, 43 и 44, которые могут отображать различные типы данных. Это формирование отчетов о состоянии в реальном времени должно предоставлять значимую информацию и данные, включающие в себя, но не только:
[0049] Напряжение по фазе
[0050] Токи по фазе
[0051] Гармоники по фазе
[0052] Температура масла/охладителя
[0053] Индикатор короткого замыкания на землю (по фазе и серьезности каждого возникновения).
[0054] Система 39 управления может включать в себя сигналы тревоги для каждой точки данных, причем эти сигналы тревоги могут настраиваться таким образом, чтобы инициировать реакцию энергокомпании для нескольких удаленных местоположений. Это очень важно для электроподстанций уровня энергосети, которые зачастую не имеют обслуживающего персонала и/или находятся в удаленных окружениях. Каждая точка данных может захватываться, сохраняться и поддерживаться с помощью средства хранения данных в системе 39 управления для статистического отслеживания и обращения, с тем чтобы обеспечивать как анализ статистических трендов, так и конкретные возможности поиска.
[0055] Сосредоточение на напряжении позволяет изобретению разрешать каждую из 5 общих проблем энергоснабжения, поясненных выше. Переходные процессы представляют собой краткие выбросы напряжения, которые регулярно возникают и могут длиться только несколько циклов. Изобретаемая система должна принимать добавочное напряжение в идентичной форме сигнала и электромагнитно подавать его обратно на себя с идентичной интенсивностью через трансформаторы 31, 32 и 33. Даже при использовании анализатора мощности можно видеть, что возмущающие воздействия, размещенные непосредственно на линии, полностью нивелируются.
[0056] Прерывания имеют множество причин, но повреждение возникает в те короткие моменты, когда система теряет мощность, и электромоторы, которые замедляют ход, превращаются в мини-генераторы, отправляющие несоответствующие напряжения в подключенные нагрузки. Система изобретения не должна предотвращать длительные потери мощности, а должна предотвращать повреждения нагрузок посредством обеспечения более мягкой посадки, если перебои возникают вследствие взаимодействия трансформаторов 31, 32 и 33 и резистора 35.
[0057] Изобретение также уменьшает неблагоприятное воздействие нестабильности напряжения, такое как падения и нарастания или пониженное/повышенное напряжение на уровне энергосети. Первичные стороны 31P, 32P и 33P трансформаторов 31, 32 и 33 и их примыкающие вторичные стороны 31S, 32S и 33S постоянно стабилизируют несоответствие напряжения. Если имеется длительное нарастание, избыточная мощность безопасно отводится на группу 35 интегральных резисторов, которая последовательно соединена проводами на вторичной стороне системы.
[0058] Варьирования формы сигнала и частоты могут лучше всего описываться как шум на линии из сильных магнитных сил. Эти магнитные попадания в энергосеть могут вызывать повреждения генераторов, трансформаторов, устройств автоматического отключения и подключенных нагрузок везде. Высокочастотный шум из враждебных EMP изменяет нормальный поток электронов в 60 Гц, что может вызывать разрушение инфраструктуры. В зависимости от серьезности или близости к таким враждебным объектам, повреждение может колебаться от потерь электронных устройств конечных пользователей до перегрева статоров на станциях по выработке электроэнергии для бытовых нужд или силовых трансформаторах. Блоки 20 ограничителя перенапряжений настоящего изобретения должны выступать в качестве охранника, подавляя все частоты выше или ниже диапазона в 60 Гц. Повреждение компонентов энергосети может возникать за момент без системы настоящего изобретения, но поскольку она работает только для форм сигнала в 60 Гц, он направляет несоответствующую форму сигнала в группу 35 интегральных резисторов с точной скоростью нарушения. Следовательно, изобретение выпрямляет возмущающие воздействия, которые находится за рамками спецификации, и гармонизирует ежедневную активность.
[0059] Система настоящего изобретения предоставляет значительные преимущества по сравнению с предшествующими устройствами ограничителя перенапряжений. Например, система настоящего изобретения сконструирована для напряжений среднего и высокого уровня с целевым применением для защиты объединенной энергосистемы. Множество предшествующих устройств ограничения перенапряжений сконструированы для систем низкого напряжения, таких как промышленное или жилое окружение, которые являются автономными, которые не имеют проблем "каскадного отключения" или дополнительных источников мощности, о которых следует беспокоиться. Настоящее изобретение может приспосабливать уникальные требования электроэнергетической сети.
[0060] Дополнительно, каждый блок 20 ограничителя перенапряжений не только защищает одно устройство. Вместо этого, каждый из блоков 20 ограничителя перенапряжений соединен проводами параллельно в соответствующих местоположениях в электроэнергетической сети, чтобы защищать обе стороны подстанций уровня энергосети, системы энергоснабжения и вырабатывающие станции. Фиг. 3 предоставляет примерную иллюстрацию расширенной защиты, предоставляемой посредством отдельного блока ограничителя перенапряжений.
[0061] Дополнительно, предоставление автоматического прерывателя 36 и размыкателей 36a в блоках 20 ограничения перенапряжений позволяет изобретению масштабироваться до объединенных энергосистем среднего и высокого напряжения и упрощает горячее отведение "на лету" каждого блока 20 в ходе установки или замены. Блок 20 ограничителя перенапряжений также обеспечивает включение металлооксидных варисторов, которые могут последовательно вставляться в качестве вторичной схемы, чтобы добавлять конкретную защиту на уровне энергосети для серьезных перегрузок по напряжению.
[0062] Более конкретно, устройство ограничителя перенапряжений согласно этой конструкции протестировано при заданных уровнях напряжения, в условиях, представляющих EMP с варьирующейся длиной/формой волны и частотами непосредственно на линии через ввод. Это тестирование поводится с резистивными и индуктивными нагрузками с использованием стандартов и оборудования для проведения тестов Mil-spec 188-125-1 и Mil-Std-2169, чтобы представлять защиту на уровне энергосети. Тысячи вольт вводятся в блок ограничителя перенапряжений, сконструированный согласно блоку 20 ограничителя перенапряжений, описанному выше, и подключенную энергосистему, в которой угрожающие импульсы идентифицируются, фиксируются и существенно уменьшаются каждый раз через несколько отдельных тестовых событий. Фиг. 6 иллюстрирует тестовые данные из таких тестов.
[0063] В общем, что касается EMP, к примеру, ядерного EMP, такие импульсы считаются включающими в себя три импульсных компоненты, обычно обозначаемые в качестве E1, E2 и E3. Компонента E1 считается самой быстрой и может наводить высокие напряжения в электрической системе. Компонента E2 является промежуточным импульсом, начинающимся через короткое время после инициирования электромагнитного импульса и завершающимся вскоре после этого. Этот импульс считается аналогичным удару молнии, но с меньшей абсолютной величиной. E3-импульсная компонента является более длительной и медленной, и считается наиболее похожей на солнечную вспышку. E3-импульсная компонента представляет собой наиболее сложную компоненту для принятия мер независимо от того, формируется оно посредством ядерного EMP или солнечной вспышки, и современные технологии не справляются с E3-импульсной компонентой и не защищают надлежащим образом объединенные энергосистемы.
[0064] В EMP-тестировании настоящего изобретения, показано, что блок 20 ограничителя перенапряжений справляется и защищает от всех трех импульсных компонент, а именно, E1, E2 и E3. Ограничитель перенапряжений быстро фиксируется на угрозах EMP-импульсов в пределах миллионных частей секунды и уменьшает серьезность угрозы до безопасных уровней. Например, блок мгновенно уменьшает E1-импульс и исключает угрозу в пределах 1,3 мкс, блок мгновенно уменьшает E2-импульс и возвращает фазы к "нормальным" в течение 0,002 секунд, и блок также мгновенно уменьшает E3-импульс и возвращает фазы в к "нормальным" в течение 0,002 секунд. Идентичное устройство продолжает работать в течение всех тестов и не подвергается повреждению, так что оно может устанавливаться и работать для нескольких EMP-событий.
[0065] Фиг. 6 иллюстрирует графическое представление результатов тестирования для трех фаз и их реакцию на вводимый E1-импульс, который введен в условиях тестирования, воссоздающих такую импульсную компоненту. Этот график сравнивает кАмперы, обнаруженные в системных фазах, со временем, измеряемым в мкс с инициированием импульса во время 0. Фиг. 6 показывает тест с вводом E1-импульса от времени -1.0 до 3,5 мкс. Блок ограничителя перенапряжений подключен к трехфазной схеме, при этом система в нормальном рабочем режиме представляет собой действующую систему при 480 В с 6000 Вт нагрузки. Тест вводит 20000 Вольт на уровне 1500 ампер, чтобы моделировать форму сигнала E1. Высота угрожающего импульса 80 максимизируется на уровне почти 1500 ампер (1,5 кА) в одной фазе и длится больше 1,9 микросекунд. Угрожающий импульс 80 водится в действующую систему, и импульс показан с внезапным выбросом с уменьшающейся хвостовой частью. Более темная нагрузка 81 фазы A и более светлая нагрузка 82 фазы B создают немедленное падение напряжения, чтобы помогать корректировать дисбаланс или результирующий E1-выброс на нагрузке 83 фазы C. Фаза C переносит волну из вводимой нагрузки, но уменьшает влияние посредством отталкивания нагрузки на фазы A и B. Фазы A, B и C блока ограничителя перенапряжений компенсируют угрожающий импульс посредством коррекции волны с собой, или другими словами, балансируют импульс относительно других двух фаз, создающих коррекцию в реальном времени, что можно видеть на графиках. Как результат, блок ограничителя перенапряжений немедленно уменьшает перенапряжение и начинает уменьшение абсолютной величины и ширины в пределах 0,1 мкс. Угроза сводится до менее чем 500 ампер на пике, поскольку уменьшается до 250 ампер и ниже в течение 0,2 микросекунд (70%-е уменьшение амплитуды). Посредством уменьшения высоты (абсолютной величины/амплитуды) и ширины (длительности) с таким большим запасом, ограничитель перенапряжений обеспечивает безвредность E1-угрозы для компонентов энергосети. Угроза полностью исключается за 1,3 мкс.
[0066] Фиг. 7 показывает графические результаты блока ограничителя перенапряжений, реагирующего на вводимую E2-угрозу. Угрожающий импульс показан как линия 90 на графике, при этом угрожающий импульс вводится в фазу C, показанную посредством линии 91 на уровне приблизительно 5 кВ, с присутствующей нагрузкой на 6 кВт. Импульс показан как внезапный выброс с уменьшающейся хвостовой частью. Нагрузка 92 фазы A и нагрузка 93 фазы B создают немедленное падение напряжения, чтобы помогать корректировать дисбаланс на нагрузке 91 фазы C, которая демонстрирует выброс. Фаза C 91 уже уменьшает влияние посредством отталкивания нагрузки на фазу A 91 и фазу B 92. Фаза C 91 достигает пика на уровне 109 ампер по сравнению с пиком в 260 ампер угрозы 90. Все три фазы корректируются и обратно становятся синфазными в течение 0,002 секунд от ввода начальной угрозы в линию. Все три фазы 91, 92 и 93 находятся в совмещении до ввода угрозы 90 во время 0. Все три фазы обратно становятся синфазными очень быстро от ввода начальной E2-угрозы в линию. Следовательно, блок ограничителя перенапряжений также может легко справляться с E2-импульсной компонентой или импульсом, демонстрирующим аналогичные характеристики.
[0067] Блок ограничителя перенапряжений также тестируется для E3-импульсной компоненты, которая показана на фиг. 8 и 9. Фиг. 8 показывает графические результаты с угрожающим импульсом 100, вводимым в фазу C 101 на уровне приблизительно 2 кВ при нагрузке в 6 кВт. Угрожающий импульс четко показан на фиг. 8 с внезапным выбросом и соответствующими волнами. Вследствие масштаба графика на фиг. 8, реакция фаз не совсем очевидна. В связи с этим, фиг. 9 предоставляется с опущенным угрожающим импульсом 100, так что масштаб системных фаз может увеличиваться для прозрачности. Как видно на фиг. 9, фаза C 101 имеет немедленный выброс. Тем не менее, нагрузка 102 фазы A и нагрузка 103 фазы B создают немедленное падение напряжения, чтобы помогать корректировать дисбаланс на нагрузке 101 фазы C. Фаза C уже уменьшает влияние угрожающего импульса 100 посредством отталкивания нагрузки на фазу A 102 и фазу B 103. Фаза C 101 достигает пика на уровне 109 ампер по сравнению с пиком в 1710 ампер угрожающего импульса 100. Все три фазы 101, 102 и 103 корректируются и обратно становятся синфазными в течение 0,002 секунд от ввода начального угрожающего импульса 100 в линию. Все три фазы находятся в совмещении до угрожающего импульса 100 в нулевое время и обратно становятся совмещенными в течение 0,002 секунд, так что ограничитель перенапряжений может легко справляться с E3-импульсной компоненты.
[0068] В связи с этим, изобретаемая система ограничителей перенапряжений может предотвращать необходимость сбрасывать нагрузку при наличии E3-активности или активности в виде солнечных вспышек в энергосети посредством коррекции сглаживания формы сигнала переменного тока. Посредством поддержания 3 идеально сбалансированных фаз, в которых векторы не совпадают по фазе на 120 градусов, ограничитель перенапряжений исключает необходимость уменьшать нагрузки LPT, чтобы предотвращать перегрев и повреждение в результате полупериодного насыщения.
[0069] Предпочтительно, блок ограничителя перенапряжений никогда не направляет избыточную энергию из этих электромагнитных сил на землю, а вместо этого, упомянутая энергия направлена на входящее перенапряжение на скорости нарушения. Во многом аналогично тому, как зеркало мгновенно отражает луч света, система ограничителей перенапряжений отражает угрозы импульсов, чтобы уменьшать бросок мощности независимо от абсолютной величины.
[0070] Система ограничителей перенапряжений может устанавливаться практически везде в распределительной электроэнергетической сети и при этом защищать всю часть схемы. Это означает то, что блок ограничителя перенапряжений может устанавливаться на полпути между LPT и следующим понижающим трансформатором, что исключает необходимость нового элемента оборудования в уже переполненном пространстве в источнике энергоснабжения.
[0071] Хотя конкретные предпочтительные варианты осуществления изобретения подробно раскрыты в качестве иллюстрации, следует признавать, что варьирования или модификации раскрытого устройства, включающие в себя перекомпоновку частей, находятся в пределах объема настоящего изобретения.