Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі

Реферат: UA 97654 U UA 97654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки, зокрема до високовольтних регульованих електротехнічних комплексів, і може використовуватися у високовольтних електричних мережах напругою 110…750 кВ для компенсації реактивної потужності та стабілізації напруги. Відомий аналог є пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі статичний тиристорний компенсатор (СТК) [див. "Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения". Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, № 2], що містить реакторну групу - трифазну силову індуктивність, яка регулюється послідовно підключеними тиристорними ключами, і підключену паралельно їй конденсаторну батарею, що містить не менше двох секцій конденсаторів. У СТК регулювання споживання реактивною потужністю з мережі здійснюється шляхом включення або відключення окремих некерованих реакторів, що утворюють реакторну групу трифазну силову індуктивність, а регулювання видачі в мережу реактивної енергії здійснюють підключенням або відключенням окремих секцій конденсаторної батареї. Число вимикачів тиристорних ключів, дорівнює числу груп реакторів і числу груп секцій конденсаторної батареї. У зв'язку з необхідністю зміни реактивної потужності невеликими частинами, потужність і напруга кожного реактора, який відключається, і конденсаторної батареї вибирається невеликими. При цьому число їх відповідає повній потужності групи. Аналог не може бути підключений безпосередньо до мережі з напругою 110-750 кВ. У цьому випадку потрібне підключення статичного тиристорного компенсатора до додаткового проміжного трансформатора на повну потужність або до додаткової третинної обмотки встановлених на підстанції автотрансформаторів, що можливо в існуючих мережах далеко не завжди. Конденсатори в конденсаторних батареях не випускають на напругу більше 35 кв, що призводить до необхідності виготовлення батарей з послідовно паралельним їх з'єднанням. Крім того, високою є вартість устаткування, монтажу й експлуатації, тому що статичний тиристорний компенсатор займає велику площу підстанції, має потребу в охолодженні, закритому приміщенні і спеціальному обслуговуванні, оскільки засобом регулювання в ньому є високовольтні (до 35 кВ) тиристорні ключі на номінальну потужність, що не допускає неминучих в експлуатації короткочасних і аварійних перевантажень. Таким чином недоліками аналога є те, що він має обмежені функціональні можливості, недостатню надійність пристрою та високу вартість при виготовленні і експлуатації. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі [див. п. РФ № 2282912 на винахід за заявкою № 2004121712 від 16.07.2004 р., опублікований 27.08.2006 р., МПК H01F 29/14, H02J 3/18], що містить керований реактор, мережна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, пристрої виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, силовий блок керування індуктивністю реактора, конденсаторну батарею, що містить принаймні дві секції конденсаторів, і електронну систему керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора та перемикачем секцій конденсаторної батареї. У найближчому аналогу здійснюють зміною індуктивності мережних обмоток трифазного керованого реактора шляхом підмагнічування стрижнів реактора за допомогою обмоток керування і силового блока, а також комутацією секцій конденсаторної батареї. При цьому, конденсаторна батарея підключена або до мережі, або до лінійних кінців обмотки, з'єднаної за схемою "трикутник" і встановленої в баку керованого реактора для компенсації струмів вищих гармонік у мережі. Керований реактор у відомому пристрої може бути підключений безпосередньо до мережі на напрузі 110-750 кВ і регулювати споживання реактивної потужності, а безпосереднє підключення до мережі конденсаторної батареї при високих напругах мережі неможливо. Конденсатори в конденсаторних батареях не випускаються на напругу більше 35 кВ, що приводить до необхідності виготовлення батарей з послідовно-паралельним їх з'єднанням Приєднання конденсаторних батарей у відомому пристрої безпосередньо до мережі навіть у випадку, коли це можливо за значенням напруги мережі, викликає при комутаціях перенапруги і кидки струмів. Тому до кожної конденсаторної батареї на підстанції приєднують відповідно включеної ємності додатковий дугогасний реактор, що обумовлює велику вартість встановленого на підстанції устаткування. Пристрій займає велику площу підстанції, має потребу в спеціальному обслуговуванні. Приєднання конденсаторних батарей до лінійних кінців компенсаційної обмотки трифазного керованого реактора також не завжди можливо. По-перше, у ряді конструкцій керованих реакторів немає компенсаційних обмоток, а, по-друге, приєднання конденсаторних батарей до обмоток керування, які є в керованих реакторах, неможливо через негативний вплив комутацій 1 UA 97654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 секцій конденсаторів на вторинні ланцюги, як то силовий блок і систему електронного керування. Керування реактивною потужністю відомим пристроєм здійснюють по мінімальних і максимальних обмеженнях на діючі значення струмів і напруг, виміряні в точці підключення керованого реактора до мережі, що не дозволяє забезпечити високу точність і надійність керування при наявності вимог стабілізації реактивної потужності та завданні обмежень на її мінімальне і максимальне значення. При цьому не забезпечується ефективність регулювання реактивної потужності на стороні високої напруги. Перемикачі конденсаторних батарей займають багато місця на підстанції, а керування ними вимагає чіткої синхронізації роботи одночасно декількох різних пристроїв, що ускладнює систему керування і конструкції перемикачів. Це підвищує вартість устаткування та не дозволяє забезпечити необхідну надійність керування. Керування реактивною потужністю відомим пристроєм здійснюється підмагнічуванням магнітної системи керованого реактора з використанням силового блока керування у вигляді напівпровідникового випрямляча, розташованого на підстанції, де для нього потрібне додаткове місце і спеціальні додаткові трансформатори для його живлення. Таким чином, недоліками найближчого аналога є те, що він має обмежені функціональні можливості, недостатню надійність пристрою і високу вартість при виготовленні та експлуатації. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення пристрою регулювання реактивної потужності електричної мережі, у якому шляхом введення нових елементів, нових зв'язків між ними та новим виконанням елементів забезпечується генерація реактивної потужності пристрою для мереж 110 кв – 750 кв із одночасним розширенням діапазону регулювання генерації та зниженням аварійних струмів і напруг в обмотках керованого реактора при комутаціях секцій конденсаторної батареї, завдяки чому досягається поліпшення таких його експлуатаційних характеристик, як плавність регулювання і надійність, особливо при наявності вимог стабілізації реактивної потужності і заданні обмежень на її мінімальне й максимальне значення, також розширюються функціональні можливості пристрою, знижується вартість його виготовлення та експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі, що містить керований реактор, мережна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, пристрої виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, силовий блок керування індуктивністю реактора, конденсаторну батарею, що містить принаймні дві секції конденсаторів, і електронну систему керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора та перемикачем секцій конденсаторної батареї, згідно з корисною моделлю, мережна обмотка реактора містить принаймні один відвід, що через принаймні один перемикач приєднаний до секцій конденсаторної батареї. Згідно з корисною моделлю, перемикач, приєднаний до секцій конденсаторної батареї принаймні одним відводом, виконаний у вигляді механічного або електронного перемикаючого пристрою та установлений у баку або на баку керованого реактора. Згідно з корисною моделлю, силовий блок керування індуктивністю реактора виконаний у вигляді додаткового механічного або електронного перемикаючого пристрою, установленого в бакуі або на баку керованого реактора. Згідно з корисною моделлю, пристрій містить додатковий блок виміру реактивної потужності, входи якого з'єднані з виходами пристроїв виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, а вихід з'єднаний із входом електронної системи керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора і перемикачем секцій конденсаторної батареї. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак корисної моделі і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що корисна модель, а саме те, що: - мережна обмотка реактора містить принаймні один відвід, що через принаймні один перемикач приєднаний до секцій конденсаторної батареї, у сукупності з відомими ознаками дозволяє здійснювати генерацію реактивної потужності пристрою для мереж 110 кВ – 750 кВ із одночасним розширенням діапазону регулювання генерації та зниженням аварійних струмів і напруг в обмотках керованого реактора при комутаціях секцій конденсаторної батареї, завдяки чому досягається поліпшення таких його експлуатаційних характеристик, як плавність регулювання і надійність, особливо при наявності вимог стабілізації реактивної потужності і заданні обмежень на її мінімальне й максимальне значення, також розширюються функціональні можливості пристрою, знижується вартість його виготовлення та експлуатації. 2 UA 97654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - перемикач, приєднаний до секцій конденсаторної батареї принаймні одним відводом, виконаний у вигляді механічного або електронного перемикаючого пристрою й установлений у баку або на баку керованого реактора; - силовий блок керування індуктивністю реактора виконаний у вигляді додаткового механічного або електронного перемикаючого пристрою, установленого в баку або на баку керованого реактор; - пристрій містить додатковий блок виміру реактивної потужності, входи якого з'єднані з виходами пристроїв виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, а вихід з'єднаний із входом електронної системи керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора й перемикачем секцій конденсаторної батареї, у сукупності з відомими ознаками дозволяє здійснювати генерацію реактивної потужності пристрою для мереж 110 кВ – 750 кВ із одночасним розширенням діапазону регулювання генерації та зниженням аварійних струмів і напруг в обмотках керованого реактора при комутаціях секцій конденсаторної батареї, завдяки чому досягається поліпшення таких його експлуатаційних характеристик, як плавність регулювання і надійність, особливо при наявності вимог стабілізації реактивної потужності і завданні обмежень на її мінімальне й максимальне значення, також розширюються функціональні можливості пристрою, знижується вартість його виготовлення та експлуатації. Мережна обмотка реактора містить принаймні один відвід, що через принаймні один перемикач приєднаний до секцій конденсаторної батареї, дозволяє використати батарею конденсаторів, як джерело реактивної потужності для мереж 110, 220, 330, 750 кВ без проміжних трансформаторів. Батареї конденсаторів не випускаються на напругу більше 35 кВ, тому підключити їх прямо до мережі (як це виконано в прототипі) можна тільки для мереж 35 кВ, а в інших випадках потрібний додатковий понижуючий трансформатор (наприклад з 500 кВ до 35 кВ) або наявність (як це виконано в прототипі) у керованому реакторі компенсаційної обмотки напругою 35 кВ. У корисній моделі, для живлення конденсаторної батареї, використовується частина витків мережної обмотки керованого реактора. При цьому тут може бути використаний керований реактор будь-якої конструкції, у тому числі і без вторинної компенсаційної обмотки. Частина мережної обмотки між відводом, що підключають до перемикача конденсаторної батареї, і заземленим кінцем мережної обмотки працює як заземлюючий реактор, що сприяє зменшенню аварійних струмів і перенапруг при комутаціях конденсаторної батареї і підвищує надійність пристрою. При цьому співвідношення індуктивностей частин реактора до та після відводу, підключеного до секцій конденсаторної батареї, може регулюватися, наприклад може встановлюватися мінімальним. Перехід у режим мінімального співвідношення індуктивностей здійснюється за допомогою силового блока керування індуктивністю і електронною системою автоматичного керування. Керований реактор споряджений перемикачем, приєднаним до секцій конденсаторної батареї та принаймні до одного відводу обмотки реактора і виконаний у вигляді механічного або електронного перемикаючого пристрою, установленого в баку або на баку керованого реактора, дозволяє зменшити площу, необхідну для розміщення окремих вимикачів конденсаторних батарей на підстанції, підвищити надійність перемикань. Це забезпечується за рахунок застосування сучасних надійних механічних масляних перемикачів з вакуумними камерами або швидкодіючих електронних перемикаючих пристроїв, охолоджуваних трансформаторним маслом. Секції конденсаторних батарей можуть бути з'єднані між собою послідовно або паралельно. Тому перемикаючі пристрої секцій конденсаторної батареї можна з'єднувати з різними відводами мережної обмотки, змінюючи не тільки ємність, що підключають, тобто число секцій конденсаторної батареї, що підключають, але й регулювати напруги на них, тобто додатково регулювати величину реактивної потужності, яку генерують у мережу. Величина реактивної потужності, що генерують секції конденсаторної батареї, пропорційна ємності помноженої на квадрат напруги. Можливість підключення секцій конденсаторної батареї до різних відводів на мережній обмотці та відводам на додатковій обмотці дозволяє змінювати в зазначеному добутку не тільки величину ємності (як у прототипі), але і величину напруги, що приводить до розширення функціональних можливостей і підвищенню надійності регулювання реактивної потужності в мережі. Силовий блок керування індуктивністю реактора, виконаний у вигляді додаткового механічного або електронного перемикаючого пристрою, установленого в баку або на баку керованого реактора, дозволяє не тільки зменшити площу для розміщення устаткування на підстанції, але і використовувати для регулювання індуктивністю керовані реактори різних конструкцій, а не однієї певної, як у прототипі. Керовані реактори з застосуванням механічних вакуумних перемикачів мають меншу вартість, але і меншу швидкодію, У випадку застосування 3 UA 97654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електронних перемикачів, вони мають більшу швидкодію, але і більшу вартість. Оптимальний вибір конструкції того або іншого реактора залежить від конкретного мережного завдання, при цьому заявлений пристрій забезпечує розширення функціональних можливостей, підвищує надійність і знижує вартість виготовлення й експлуатації устаткування. Пристрій містить додатковий блок виміру реактивної потужності, входи якого з'єднані з виходами пристроїв виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, а вихід з'єднаний із входом електронної системи автоматичного керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора й перемикачем секцій конденсаторної батареї, дозволяє здійснювати генерацію реактивної потужності пристрою для мереж 110 кв – 750 кв із одночасним розширенням діапазону регулювання генерації й зниженням аварійних струмів і напруг в обмотках керованого реактора при комутаціях секцій конденсаторних батарей. Забезпечується це тим, що створюється можливість підвищити точність керування при необхідності стабілізації реактивної потужності в межах заданих мінімального й максимального значень. У прототипі ж зазначене керування здійснювалося з недостатньою точністю й надійністю по обмірюваних діючих значеннях струмів і напруг у точці підключення, але без обліку обмірюваних значень кута зрушення фаз між ними. Таким чином, технічний результат корисної моделі полягає у забезпеченні генерації реактивної потужності пристрою для мереж 110 кВ - 750 кВ із оптимізацією витрат, розширенні діапазону регулювання генерації та зниженні аварійних струмів і напруг в обмотках керованого реактора при комутаціях секцій конденсаторних батарей, уточненні роботи системи електронного керування при стабілізації реактивної потужності в мережі. Корисна модель пояснюється кресленням, де: на фіг. 1 - блок-схема пристрою у трифазному виконанні з додатковими відводами в мережних обмотках фаз, зовнішнім силовим блоком регулювання індуктивностей і перемикачами паралельно з'єднаних конденсаторних батарей зовнішньої установки; на фіг. 2 - блок-схема пристрою у однофазному виконанні з додатковим відводом у мережній обмотці, зовнішнім силовим блоком регулювання індуктивності й перемикачами паралельно з'єднаних конденсаторних батарей зовнішньої установки; на фіг. 3 - блок-схема пристрою з однофазним виконанням з додатковими відводами в мережній обмотці для регулювання індуктивності й підключення паралельно з'єднаних секцій конденсаторних батарей, силовим блоком регулювання індуктивності у вигляді убудованого перемикача, і перемикачем конденсаторних батарей внутрішньої установки; на фіг. 4 - блок-схема пристрою у однофазному виконанні з додатковими відводами у мережній обмотці, зовнішнім силовим блоком регулювання індуктивності, перемикачами зовнішньої установки з паралельнопослідовно з'єднаними конденсаторними батареями; на фіг. 5 - блок-схема пристрою у однофазному виконанні з додатковими відводами у мережній обмотці, силовим блоком регулювання індуктивності у вигляді убудованого перемикача внутрішньої установки і перемикачем конденсаторних батарей внутрішньої установки зі з'єднаними паралельнопослідовно секціями конденсаторних батарей. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі, що заявляється, містить керований реактор 1, мережна обмотка 2 якого підключена до мережі високої напруги, пристрій 3 виміру струму в точці підключення до мережі, пристрій 4 виміру напруги в точці підключення до мережі, силовий блок 5 керування індуктивністю реактора 1, конденсаторну батарею 6, що містить принаймні дві секції 7 конденсаторів, і електронну систему 8 автоматичного керування силовим блоком 5 регулювання індуктивністю реактора 1 і перемикачем 9 секцій 7 конденсаторної батареї 6. Мережна обмотка 2 реактора 1 містить, принаймні, один відвід 10, що через, принаймні, один перемикач 9 приєднаний до секцій 7 конденсаторної батареї 6. Перемикач 11, що з'єднаний із секціями 7 конденсаторної батареї 6, і принаймні з одним відводом 10, може бути виконаний у вигляді механічного або електронного перемикаючого пристрою і установлений у баку або на баку керованого реактора 1. У випадку, коли секції 7 конденсаторної батареї 6 з'єднані послідовно і паралельно, перемикач 11 може з'єднувати відвід 10 від обмотки 2 і секцій 7 конденсаторної батареї 6 так, що одночасно змінюється і величина ємкості конденсаторної батареї 6, що підключається, і величина напруги на ній, тобто розширюються можливості генерування реактивної потужності. Силовий блок 5 керування індуктивністю реактора 1, може бути виконаний у вигляді додаткового перемикаючого пристрою 12, що установлений в баку або на баку керованого реактора 1 і має електричне з'єднання 13 з мережною обмоткою 2. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі містить блок 14 виміру реактивної потужності, входи якого з'єднані з виходом пристрою 3 виміру струму і виходом пристрою 4 виміру напруги в точці підключення до мережі, а вихід з'єднаний із входом 4 UA 97654 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 електронної системи 8 автоматичного керування силовим блоком 5 (або перемикачем 11) регулювання індуктивністю реактора 1 і перемикачем 9 секцій 7 конденсаторної батареї 6. Корисна модель працює наступним чином. При підключенні до мережі керованого реактора 1 по мережній обмотці 2 протікає струм, вимірюваний пристроєм 3, наприклад трансформатором струму, установленим на лінійному вводі реактора 1. При цьому уздовж витків мережної обмотки 2 розподіляється напруга, що змінюється від значення напруги в точці підключення до мережі до нуля, тому що нейтральний кінець керованого реактора 1 заземлений. Ця напруга виміряється пристроєм 4 виміру напруги в точці підключення до мережі, що може бути, наприклад, установленим на станції вимірювальним трансформатором напруги. Обмірювані миттєві значення струму та напруги синхронізовано надходять у блок 14 виміру реактивної потужності. При вимірі реактивної потужності враховуються не тільки амплітудні значення струмів і напруг, але й кут зрушення фаз між ними. Фактичне значення величини реактивної потужності передається в електронну систему 8 автоматичного керування, де воно порівнюється із заданими граничними значеннями, після чого електронна система 8 автоматичного керування формує сигнали керування для зміни споживання або зміни генерації реактивної потужності. При зміні споживання реактивної потужності, електронна система 8 автоматичного керування через перемикачі 9 або 11 секцій 7 конденсаторної батареї 6, установлених на підстанції, або усередині, або на баку керованого реактора 1, відключає всі секції 7 конденсаторної батареї 6 і переходить у режим стабілізації напруги в точці підключення до мережі за допомогою регулювання індуктивності мережної обмотки 2 керованого реактора 1. Регулювання індуктивністю мережної обмотки 2 здійснюється за допомогою силового блока 5 регулювання індуктивністю керованого реактора 1. Регулювання індуктивністю мережної обмотки 2 може здійснюватися різними методами підмагнічування ділянок магнітної системи керованого реактора 1 - поздовжнім, як у прототипі, або поперечним підмагнічуванням, або за допомогою убудованих у бак реактора 1 механічного або електронного перемикаючого пристрою 12, що змінює число включених витків у мережній обмотці 2. При цьому наявність компенсаційної обмотки керованого реактора 1, призначеної для зменшення вищих гармонік струму мережної обмотки 2 (як у прототипі) не обов'язково. Для зменшення вищих гармонік цього струму можливе застосування інших методів. Наприклад, виконання стрижня магнітопроводу (на кресленні не показаний) керованого реактора 1 з повітряними зазорами, як у реакторах з поперечним підмагнічуванням або із застосуванням фільтрів вищих гармонік струму, установлених на станції у вигляді окремих пристроїв. При зміні генерації реактивної потужності, електронна система 8 автоматичного керування переводить силовий блок 5 або перемикач 12 регулювання індуктивністю реактора в положення мінімальної індуктивності всієї мережної обмотки 2 або її частини між лінійним кінцем і відводом 10, з'єднаним через перемикач 9 або 11 із секціями 7 конденсаторної батареї 6. Потім, за допомогою перемикачів 9 або 11 здійснюється включення секцій 7 конденсаторної батареї 6 та ємнісний струм тече по відводах 10 мережної обмотки 2. При з'єднанні відводу 10 з мережною обмоткою 2 ємнісний струм попадає в мережу по електричному зв'язку, тобто відбувається генерація реактивної потужності в мережу. Частина мережної обмотки між відводом 10, підключеним до секцій 7 конденсаторної батареї 6, і заземленим нейтральним кінцем мережної обмотки 2, у випадку протікання ємнісного струму безпосередньо по витках мережної обмотки 2 працює як заземлюючий реактор і перешкоджає виникненню великих аварійних струмів і напруг при перемиканні конденсаторної батареї 6. Корисна модель може бути виготовлена з розміщенням відводів в середині чи на краях мережної обмотки, або в окремому концентрі мережної обмотки, що знаходиться на однім, або на різних стрижнях з основними вітками мережної обмотки. Корисна модель може бути виготовлена в трифазному або однофазному виконанні з пофазним або одночасно трифазним регулюванням на існуючому устаткуванні з використанням відомих матеріалів і засобів, що підтверджує промислову придатність об'єкта. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі, що містить керований реактор, мережна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, пристрої виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, силовий блок керування індуктивністю реактора, конденсаторну батарею, що містить принаймні дві секції конденсаторів, і електронну систему керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора та перемикачем секцій конденсаторної батареї, який відрізняється тим, що мережна обмотка реактора містить 5 UA 97654 U 5 10 15 принаймні один відвід, що через принаймні один перемикач приєднаний до секцій конденсаторної батареї. 2. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі за п. 1, який відрізняється тим, що перемикач, приєднаний до секцій конденсаторної батареї принаймні одним відводом, виконаний у вигляді механічного або електронного перемикаючого пристрою і установлений у баку або на баку керованого реактора. 3. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі за п. 1, який відрізняється тим, що силовий блок керування індуктивністю реактора виконаний у вигляді додаткового механічного або електронного перемикаючого пристрою, установленого у баку або на баку керованого реактора. 4. Пристрій регулювання реактивної потужності електричної мережі за п. 1, який відрізняється тим, що він містить додатковий блок виміру реактивної потужності, входи якого з'єднані з виходами пристроїв виміру струму і напруги в точці підключення до мережі, а вихід з'єднаний із входом електронної системи керування силовим блоком регулювання індуктивністю реактора та перемикачем секцій конденсаторної батареї. 6 UA 97654 U 7 UA 97654 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8