Спосіб експлуатації трансформатора середньої напруги у низьку напругу із ступеневим перемикачем

Реферат: Спосіб експлуатації трансформатора середньої напруги у низьку напругу із ступеневим перемикачем, в якому при перемиканні струм протікає через напівпровідникові вимикачі, щоб забезпечити безперебійність. UA 103786 C2 (12) UA 103786 C2 UA 103786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується трансформатора середньої і низької напруги із ступінчастим перемиканням. Розподільні енергомережі схильні до коливань напруги, зокрема за рахунок імпедансу мережевих компонентів і змінних навантажень. Бажано, щоб ці коливання були якомога меншими. Для цього в трансформаторах між високою і середньою напругою використовуються ступінчасті перемикачі. Такий перемикач компенсує коливання напруги, які виникають в разі змін навантаження, змінюючи коефіцієнт трансформації. Для цієї мети, щонайменше, одна з обмоток трансформатора має ряд відводів, які можуть електрично з'єднуватися за допомогою селектора. Крім того, передбачений перемикач, який здійснює безрозривне перемикання між двома положеннями селектора також під навантаженням. Міжвиткове коротке замикання запобігається за рахунок того, що струм протягом короткого часу протікає через резистори. Можливо, що в майбутньому енергопостачання у порівнянні з сьогоднішньою ситуацією відбуватиметься менш централізовано. Це означає, що електроенергія вироблятиметься ближче до споживача, ніж сьогодні, на великому числі установок меншої потужності. Такими установками є, наприклад, фотоелектричні установки, вітросилові установки і електростанції, які працюють на біомасі, або ж блокові теплові електростанції меншої потужності. Із-за виробництва електроенергії і тепла, швидше, комбінованого, , що реалізовується, електростанції меншої потужності, щонайменше, в принципі найбільш переважні. Якщо вироблена електроенергія не може відбиратися безпосередньо, то потрібна її подача з мережі низької напруги у мережу середньої напруги, щоб забезпечити позбавлену втрат передачу на великі відстані. Для цього потрібно передбачити в розподільному трансформаторі змінний коефіцієнт трансформації. Задачею винаходу є створення трансформатора середньої і низької напруги із ступінчастим перемиканням, який мав би особливо просту конструкцію. Інша задача винаходу полягає у створенні способу експлуатації такого трансформатора. Ця задача вирішується за допомогою трансформатора середньої і низької напруги з ознаками п.1 формули. Переважні варіанти і модифікації приведені в залежних пунктах. Також задача винаходу вирішується за допомогою способу з ознаками п.10 формули. Запропонований трансформатор середньої і низької напруги має ступінчасте перемикання. При цьому одна з обмоток трансформатора, переважно вторинна обмотка на стороні низької напруги, має два кінцеві відгалуження і, щонайменше, одне додаткове відгалуження. Крім того, передбачений, щонайменше, один комутаційний пристрій для електричного з'єднання, щонайменше, одного з відгалужень з вихідним проводом трансформатора. Нарешті, передбачений, щонайменше, один напівпровідниковий комутаційний пристрій, електрично сполучений з вихідним проводом і одним із відгалужень. Переважно перше з кінцевих відгалужень сполучено безпосередньо з першим вихідним проводом трансформатора і більше не змінюється для ступінчастого перемикання або використовується особливим чином. Друге кінцеве відгалуження на іншому кінці обмотки, навпаки, використовується разом з додатковим або додатковими відгалуженнями для ступінчастого перемикання, а відгалуження більш комплексним чином сполучені для цього з другим вихідним проводом трансформатора. Комутаційний пристрій включає переважно механічні вимикачі, які мають переважно особливо низький опір у пропускному напрямі, особливо переважно забезпечує незалежне підключення і відключення окремих відгалужень. При цьому комутаційний пристрій доцільно поперемінно сполучає окремі відгалуження з другим вихідним проводом трансформатора. Запропонований трансформатор середньої і низької напруги має переважно просту і не вимагаючу обслуговування за рахунок напівпровідникових вимикачів конструкцію і забезпечує ступінчасте перемикання без переривання навантаження з середньої напруги на низьку. Доцільно, проте не обов'язково, якщо ступінчастий перемикач містить керувальний пристрій, який мимоволі здійснює керування перемиканням навантаження. Для цього керувальний пристрій містить доцільно засоби, які дозволяють виявити, коли повинно статися перемикання. Наприклад, мова може йти при цьому про засоби для визначення напруги і/або струму на вхідній або вихідній стороні. Вони дозволяють визначити, чи необхідне перемикання, якщо, наприклад, при підвищеному навантаженні на вихідній стороні виявляється відповідне легке пониження вихідної напруги. Як альтернатива керування перемиканням навантаження може здійснюватися також поза ступінчастим перемикачем. В цьому випадку ступінчастий перемикач містить доцільно засоби, які забезпечують керування ззовні. При цьому мова може йти про непряме, наприклад, цифрове, дистанційне керування, яке в ступінчастому перемикачі перетворюється за допомогою керувального пристрою у фактичне керування перемикачем. Також мова може йти про безпосереднє аналогове керування ззовні, яке може здійснюватися, 1 UA 103786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 при необхідності, навіть без внутрішнього керувального пристрою, наприклад, за рахунок безпосередньої подачі струму ззовні до виконавчого органу комутаційного елемента. Особливо переважно, якщо комутаційний пристрій сполучений лише з додатковими відгалуженнями, тобто не з кінцевими відгалуженнями. Тоді доцільно, якщо є декілька додаткових відгалужень, тобто, щонайменше, два. Тоді доцільно також, якщо напівпровідниковий комутаційний пристрій сполучений з одним з кінцевих відгалужень. Така конструкція забезпечує особливо переважну експлуатацію. Як тільки перемикання представиться необхідним, вмикається напівпровідниковий комутаційний пристрій. Це вмикання відбувається переважно при проходженні змінної напруги через нуль, причому доцільно враховується затримка вмикання напівпровідникових вимикачів напівпровідникового комутаційного пристрою, тобто, наприклад, затримка відкривання тиристорів. Це запобігає стрибку напруги. Коли напівпровідниковий комутаційний пристрій увімкнено, виникає міжвиткове коротке замикання, оскільки між одним з додаткових відгалужень через комутаційний елемент і напівпровідниковий комутаційний пристрій виникає безпосереднє з'єднання з кінцевим відгалуженням. В результаті в цьому ланцюзі виникне струм. Для уповільнення виникнення цього струму переважно послідовно з напівпровідниковим комутаційним пристроєм включена індуктивність. Як альтернатива або додатково для обмеження струму може бути передбачений також резистор. За рахунок відносного розташування напівпровідникового комутаційного пристрою на кінцевому відгалуженні і комутаційного елемента на одному з додаткових відгалужень струм в ланцюзі короткого замикання між витками протилежний до струму навантаження. Внаслідок цього настає момент часу, коли струм в ланцюзі короткого замикання між витками набуває того ж значення, що і струм навантаження, і, тим самим, через комутаційний елемент більше майже не тече струм. Інакше кажучи, у цей момент часу струм навантаження повністю комутований з напівпровідниковим комутаційним пристроєм. Цей момент часу використовується для вимкнення з'єднання за допомогою комутаційного елемента. Оскільки протягом часу, коли через комутаційний елемент не тече струм або тече дуже невеликий струм, спад напруги відповідно також незначний, можливе вимкнення без дуги, що є особливо щадним для комутаційного елемента. Як альтернатива може бути здійснено також розмикання комутаційного елемента ще перед проходженням через нуль, зокрема у момент часу, в який напівпровідниковий комутаційний пристрій вже є надійно провідним. В цьому випадку при розмиканні комутаційного елемента виникне дуга, яка, проте, в процесі комутування струму гасне дуже швидко, зазвичай в діапазоні мікросекунд, оскільки струм через комутаційний елемент зникає. Переважно, якщо трансформатор середньої і низької напруги включає засоби для визначення значення, яке представляє напругу і/або струм через комутаційний елемент, оскільки тоді можна визначити безпосередньо момент часу для розмикання комутаційного елемента. Цей момент часу в описаному вище способі експлуатації виникає, наприклад, тоді, коли струм стає нульовим. Інша можливість розмикання комутаційного елемента полягає в тому, що струм або напруга, зокрема їх максимальні значення в межах кожного періоду, нижче певного порогу, який трохи більше нуля. Інша альтернатива полягає в тому, щоб встановити момент часу для розмикання комутаційного елемента за допомогою тимчасового керування залежно від часу увімкнення напівпровідникового комутаційного пристрою, наприклад через 2 мс після його увімкнення. Після розмикання комутаційного елемента через напівпровідниковий комутаційний пристрій тече струм навантаження, і міжвиткове коротке замикання усунене. Потім комутаційний елемент знову замикається для створення з'єднання з іншим з додаткових відводів обмотки. Також в цьому випадку переважно, якщо для замикання з'єднання вибирається відповідний момент часу. Для цього можна вибрати, наприклад, момент часу, в який напруга через комутаційний елемент точно відповідає напрузі через напівпровідниковий комутаційний пристрій. При цьому слід виходити з того, що завдяки напівпровідниковим вимикачам спад напруги на напівпровідниковому комутаційному пристрої завжди невеликий. При замиканні комутаційного елемента переважно враховувати час замикання, який потрібен йому для створення електричного контакту. Замикання у цей момент часу дозволяє уникнути стрибків напруги. Альтернативний метод полягає в замиканні комутаційного елемента тоді, коли напруга за рахунок частоти мережі проходить через нуль. Після того, як комутаційний елемент знову створить електричне з'єднання, напівпровідниковий комутаційний пристрій може бути вимкнений, або залежно від використовуваного напівпровідникового вимикача може бути усунений сигнал відкривання. 2 UA 103786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В одному варіанті здійснення винаходу як напівпровідниковий вимикач передбачений контур тиристора. Переважно, що він виконаний таким, що самовимикається і забезпечує, таким чином, просте керування. Контур тиристора складається переважно з двох зустрічнопаралельно включених елементів тиристорів, причому кожен складається з тиристора або паралельної і/або послідовної схеми тиристорів. Разом з тиристорами можуть використовуватися також інші електричні елементи. Як альтернатива тиристорам як напівпровідникові вимикачі можуть використовуватися також здатні до вимикання напівпровідникові вимикачі, зокрема GTO (Gate Turn-Off Thyristor здатний до вимикання тиристор). Це забезпечує активне вимкнення лінії за рахунок напівпровідникового вимикача, що, у свою чергу, скорочує час міжвиткового короткого замикання за допомогою замкнутого комутаційного елемента і провідного напівпровідникового вимикача. В одному переважному варіанті здійснення винаходу передбачені засоби для визначення струму в зоні комутаційного елемента або напівпровідникового вимикача. Переважні приклади його здійснення, проте такі, що ні в якому разі не обмежують винахід, детальніше пояснюються за допомогою креслень. При цьому ознаки змальовані схемно, а відповідні ознаки позначені однаковими посилальними позиціями. На кресленнях представляють: Фіг. 1: Перший трансформатор із суцільною вторинною обмоткою із ступінчастим перемикачем; Фіг. 2: Діаграму процесу ступінчастого перемикання з першим трансформатором. На кресленнях зображені варіанти виконання трансформаторів середньої і низької напруги. В реальній практиці вони виконуються доцільно трифазними. Проте для кращої наочності на кресленнях змальовано лише однофазне виконання. З тієї ж причини ступінчасті перемикачі мають в прикладах виконання лише три можливості встановлення коефіцієнта трансформації, тоді як насправді ступінчасті перемикачі часто можуть встановлювати більше трьох коефіцієнтів трансформації. Винахід може застосовуватися також з більш ніж трьома коефіцієнтами трансформації. Напруга на стороні первинних обмоток повинна складати, наприклад, 10 кВ, тоді як на стороні вторинної обмотки видається напруга 400 В. На фіг. 1 змальований трансформатор 1 із ступінчастим перемиканням. Окрім первинної обмотки (не показана) він містить суцільну вторинну обмотку. Вона складається з чотирьох секцій 17a-17d. Перша секція 17а охоплює при цьому близько 70 % довжини вторинної обмотки, тоді як друга, третя і четверта секції 17b-17d охоплюють приблизно по 10 % її довжини. Схема на фіг. 1 представлена не точно в масштабі. З відносних долей вторинної обмотки виникають встановлювані коефіцієнти трансформації, і зрозуміло, що можливо також зовсім інше розділення вторинної обмотки. Секції 17a-17d утворені першим 2, другим 3 і третім 4 відводами, причому перше відгалуження 2 складає 70 %, друге відгалуження 3-80 %, а третє відгалуження 4-90 % довжини вторинної обмотки. З початком вторинної обмотки сполучений перший вихідний провід 11 трансформатора 1. Його другий вихідний провід 12 сполучений з відгалуженнями 2-4 більш комплексним чином для реалізації ступінчастого перемикання. Для ступінчастого перемикання передбачений механічний ступінчастий перемикач 20, середнє вивід якого сполучене з другим вихідним проводом 12. Перемикач 20 може створювати з'єднання між своїм середнім виводом і першим 13, другим 14 або третім 15 з'єднанням. Перше з'єднання 13 сполучає відгалуження 2 і один з виводів перемикача 20. Друге з'єднання 14 сполучає відгалуження 3 з іншим виводом перемикача 20, а третє з'єднання 15 - відгалуження 4 з його останнім виводом. При цьому перемикач 20 виконаний доцільно так, що роз'єднання виводів і створення з'єднання між ними може відбуватися незалежно один від одного, тобто декілька механічних комутаційних елементів утворюють спільно перемикач 20. Далі між кінцевим відгалуженням 52 вторинної обмотки і другим вихідним проводом 12 є четверте з'єднання 18, яке веде через тиристорний контур 5, який складається з двох зустрічнопаралельно включених тиристорів. Схема з двох тиристорів є лише прикладом. Залежно від очікуваного навантаження один з тиристорів може представляти відповідно послідовну і/або паралельну схему з декількох тиристорних елементів, таких як IGBT (біполярний транзистор з ізольованим затвором), GTO і тому подібне. Послідовно з тиристорним контуром 5 включена індуктивність 53, яка служить для затримки струму в разі міжвиткового короткого замикання. У кожному із з'єднань 13-15 і в зоні середнього виведення перемикача 20 передбачена вимірювальна точка 7-10. Крім того, є блок 6 керування. Він може визначати напругу у вимірювальних точках 7-10 і за допомогою набутих значень керувати тиристорним контуром 5 і перемикачем 20. 3 UA 103786 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Процес ступінчастого перемикання за допомогою пристрою на фіг. 1 пояснюється за допомогою фіг. 2. На першому етапі 21 слід виходити з того, що механічний перемикач 20 створює електричне з'єднання між другим вихідним проводом 12 і першим з'єднанням 13. Перший шлях струму 26 веде, отже, від першого вихідного проводу 11 через першу секцію 17 вторинної обмотки і перше з'єднання 13 до другого вихідного проводу 12. При цьому використовується близько 70 % вторинної обмотки. Тиристори закриті. На другому етапі 22 здійснюється перемикання. При цьому механічний перемикач 20 перемикається між своїми виводами так, що замість першого відгалуження 2 з другим вихідним проводом 12 з'єднується друге відгалуження 3. Під час перемикання тиристорний контур 5 пропускає струм. Це відбувається безрозривно, причому точне перемикання показане нижче. Під час перемикання другий шлях струму 27 веде, отже, від першого вихідного проводу 11 через всі секції 17a-17d вторинної обмотки. Далі він веде через четверте з'єднання 18 і, тим самим, через тиристорний контур 5 до другого вихідного проводу 12. При цьому використовується вся вторинна обмотка. Як тільки перемикач 20 перемкнутий, провідність тиристорного контура 5 усувається. Після перемикання настає стан, використовуваний на третьому етапі 23. При цьому використовується близько 80 % вторинної обмотки, а третій шлях струму 28 веде від першого вихідного проводу 11 через першу 17а і другу 17b секції вторинної обмотки і друге з'єднання 14 до другого вихідного проводу 12. На четвертому етапі 24 знову здійснюється перемикання. При цьому механічний перемикач 20 перемикається між своїми виводами так, що замість другого відгалуження 3 з другим вихідним проводом 12 з'єднується третє відгалуження 4. Під час перемикання тиристорний контур 5 пропускає струм. Під час перемикання четвертий шлях струму 29 веде, отже, від першого вихідного проводу 11 через всю вторинну обмотку. Далі він веде через четверте з'єднання 16 і, тим самим, через тиристорний контур 5 до другого вихідного проводу 12. Як тільки перемикач 20 перемкнутий, провідність тиристорного контура 5 усувається. Після перемикання настає стан, використовуваний на п'ятому етапі 25. При цьому використовується 90 % вторинної обмотки, а шлях струму веде від першого вихідного проводу 11 через першу 17а, другу 17b і третю 17с секції вторинної обмотки і третє з'єднання 15 до другого вихідного проводу 12. Подальші перемикання здійснюються аналогічним чином. При цьому перемикач 20 повинен перемикатися не між сусідніми відгалуженнями 2-4, а перемикання може відбувається між будьякими відгалуженнями, тобто, наприклад, безпосередньо від першого відгалуження 2 до третього відгалуження 4 або навпаки. Спосіб, за допомогою якого здійснюється перемикання, точніше пояснюється на прикладі. Слід виходити з того, що блок 6 керування встановлює, що перемикання між двома відгалуженнями представляється необхідним. На підставі цього блок керування забезпечує відкривання тиристорів в тиристорному контурі 5. Момент відкривання вибирається при цьому так, що не виникає стрибка напруги. Ідеальним чином для цього вибирається момент, який на відрізок часу лежить перед проходженням напруги мережі через нуль, причому цей відрізок часу відповідає затримці відкривання тиристорів. Цим досягається те, що тиристори при проходженні напруги через нуль можуть, в принципі, пропускати струм навантаження. Коли тиристори знаходяться в провідному стані, за рахунок з'єднання через вимикач 20 і тиристори виникає міжвиткове коротке замикання, в якому бере участь одна секція вторинної обмотки. У цьому ланцюзі короткого замикання може протікати дуже високий струм. Робоча швидкість обмежена в даному прикладі індуктивністю 53. За рахунок відносного розташування тиристорів на кінцевому відгалуженні 52 і перемикача 20 на одному з додаткових відгалужень 2-4 струм в ланцюзі короткого замикання між витками протилежний до струму навантаження. Внаслідок цього досягається момент часу, в який струм в ланцюзі короткого замикання між витками набуває того ж значення, що і струм навантаження, і, тим самим, через перемикач 20 більше не тече струм. Цей момент часу використовується для вимкнення з'єднання за допомогою перемикача. При цьому розмикання перемикача може бути здійснене переважно ще незадовго до очікуваного проходження через нуль, зокрема у момент часу, в який тиристори вже знаходяться в надійно провідному стані. В цьому випадку при розмиканні комутаційного елемента виникне дуга, яка, проте, в процесі комутування струму гасне дуже швидко, зазвичай в діапазоні мікросекунд, оскільки струм через комутаційний елемент зникає. Якщо дуга одного разу згасла, то при зростанні напруги через комутаційний елемент вона більше знову не виникає. Для плавного перемикання доцільно, якщо для розмикання з'єднання керування перемикачем 20 відбувається так, що він розмикається лише тоді, коли тиристори вже знаходяться в провідному стані. 4 UA 103786 C2 5 Внаслідок цього тиристори пропускають струм навантаження, а за рахунок розмикання перемикача 20 міжвиткове коротке замикання усунене. Замикання нового з'єднання перемикача 20 відбувається переважно при природному проходженні напруги мережі через нуль для досягнення плавного переходу лінії. Оскільки після замикання перемикача 20 знову виникає міжвиткове коротке замикання, доцільно закрити тиристори своєчасно до проходження через нуль, щоб уникнути вимикання тиристорів одночасно з розмиканням перемикача 20. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Спосіб експлуатації трансформатора (1) середньої напруги у низьку напругу із ступеневим перемикачем, в якому одна з обмоток трансформатора має два кінцеві відводи і щонайменше два додаткових середніх відводи, а також передбачені щонайменше один комутаційний пристрій (20) для комутованого електричного з'єднання одного з середніх відводів з вихідним проводом трансформатора і щонайменше один напівпровідниковий комутаційний пристрій (5), електрично сполучений з вихідним проводом і безпосередньо з'єднаний з одним із кінцевих відводів, причому - напівпровідниковий комутаційний пристрій використовують для тимчасового пропускання струму в процесі перемикання комутаційного пристрою, - згідно з яким у процесі перемикання комутаційного пристрою визначають перший момент часу, в який струм через комутаційний пристрій стає нульовим, і в цей момент часу комутаційний пристрій розмикають, - після розмикання комутаційного пристрою визначають другий момент часу, в який напруга між цільовим відводом комутаційного пристрою і вихідним проводом трансформатора відповідає напрузі через напівпровідниковий комутаційний пристрій, і у цей другий момент часу комутаційний пристрій замикають, - тривалість перемикання комутаційного пристрою враховують при визначенні другого моменту часу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що напівпровідниковий комутаційний пристрій вмикають на початку відрізку часу перед проходженням напруги мережі через нуль, причому цей відрізок часу відповідає затримці спрацьовування пристрою. 5 UA 103786 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 6