CZ39102U1 - Zapojení zařízení pro kompenzaci zemních poruch - Google Patents

Description

Zapojení zařízení pro kompenzaci zemních poruch

Oblast techniky

Toto technické řešení spadá do oblasti kompenzace zemních poruch v izolovaných nebo neúčinně uzemněných elektrických sítí, konkrétně do oblasti nových výkonových polovodičových prvků připojených k elektrizační soustavě. Řeší problematiku kompenzace jalového výkonu v bezporuchovém stavu sítě a problematiku kompenzace zemních poruch při poruchovém spojení fázového vodiče se zemí v neúčinně uzemněných či izolovaných distribučních soustavách.

Dosavadní stav techniky

Pro kompenzaci jalového výkonu v distribučních soustavách se instalují buď systémy založené na pasivních prvcích (kapacitní banka, indukčnost), synchronní kompenzátory využívající rotující elektrický stroj nebo systémy s výkonovými polovodičovými měniči. Systémy s výkonovými měniči obvykle umožňují poskytovat kapacitní i induktivní jalový výkon, který lze spojitě regulovat. Výkonový polovodičový měnič za tímto účelem generuje souslednou složku třífázového napětí a proudu. Mezi užívanými technologiemi lze nalézt systémy připojené k distribuční soustavě přes transformátor i měniče přímo připojené k síti.

Základní nejjednodušší variantu představuje systém s dvouhladinovým výkonovým měničem (typicky třífázový napěťový střídač), který obvykle vyžaduje doplnění o výstupní LC/LCL filtr pro dosažení potřebné kvality proudu sítě. Předností je jednoznačně jednoduchost a cena; třífázový napěťový střídač je jedním z nej rozšířenějších výkonových měničů na trhu aje běžně prodávaným artiklem. Topologie minimalizuje počet výkonových prvků i počet řídicích a diagnostických signálů, což přináší úspory v řídicím systému, ve fázi oživení a uvádění do provozu a v servisních nákladech. Nicméně k připojení k síti na hladině VN je obvykle nutný transformátor.

Alternativu k dvouhladinovým systémům představují vícehladinové topologie výkonových polovodičových měničů, jakými jsou např. měniče s upínacími diodami, měniče s plovoucími kondenzátory, modulární vícehladinové měniče či měniče s kaskádními H-můstky. Vícehladinové měniče dosahují vyšší kvality výstupního napětí a proudu a lze tak dosáhnout požadované kvality proudu bez instalace výstupního LC/LCL filtru. Typické je rozložení celkového napětí na více výkonových prvků. To umožňuje dosáhnout vyššího výstupního napětí, případně použít výkonové prvky s nízkým blokovacím napětím. Vícehladinové měniče umožňují realizovat systémy přímo připojené k síti včetně soustavy VN bez transformátoru.

Jednoznačnou nevýhodou vícehladinových měničů je cena. Poměrně složité topologie kladou vysoké nároky na design, množství komponent, počet řídicích a diagnostických signálů, řídicí systém i algoritmy řízení, oživování, uvádění do provozu a servis.

Vedle kompenzace jalového výkonu je možné v distribuční soustavě kompenzovat nesymetrii napětí či poruchové stavy. Ktomu je nutné, aby systém vedle generace sousledné složky také umožňoval generaci netočivé složky napětí a proudu. Tradiční třífázové topologie výkonových polovodičových měničů, včetně vícehladinových, generaci netočivé složky neumožňují. Tuto funkcionalitu lze obvykle realizovat doplněním topologie o čtvrtou fázi, která však musí být odpovídajícím způsobem výkonově dimenzována; výkon čtvrté fáze měniče je buď trojnásobný než výkon fází připojených k fázovým vodičům sítě, nebo je čtvrtá fáze ztrojena a výsledná topologie tvoří šestifázový měnič.

Extrémní nesymetrii v distribučních soustavách VN představuje jednofázové zemní spojení, kdy dochází k poruchovému spojení fázového vodiče s bodem zemního potenciálu. U distribučních soustav VN, které se provozují jako neúčinně uzemněné (případně také jako izolované), nedochází

- 1 CZ 39102 UI při zemním spojení k ovlivnění napětí soustavy NN. Nicméně poruchové zemní spojení v soustavě VN představuje nebezpečný stav. Kompenzace zemního spojení se tradičně provádí zhášecí tlumivkou, která představuje pasivní prvek - indukčnost, připojenou obvykle mezi uzel distribučního transformátoru a bod zemního potenciálu. Alternativou je aktivní kompenzační systém založený na řízeném zdroji kompenzačního proudu. Takový systém lze realizovat na bázi výkonových polovodičových měničů.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je zapojení zařízení pro kompenzaci zemních poruch. Zařízení obsahuje třífázový transformátor s primárním vinutím a sekundárním vinutím. Zařízení dále obsahuje výkonový polovodičový měnič, který sestává z trojice dvouhladinových třífázových napěťových střídačů. Každý z napěťových střídačů je tvořen třemi výkonovými půlmůstky a filtrem napětí na stejnosměrné straně. Každý půlmůstek sestává z dvojice výkonových tranzistorů.

První fáze prvního napěťového střídače je připojena na první vývod první fáze sekundárního vinutí transformátoru a druhý vývod první fáze sekundárního vinutí transformátoru je připojen na druhou fázi druhého napěťového střídače.

První fáze druhého napěťového střídače je připojena na první vývod druhé fáze sekundárního vinutí transformátoru a druhý vývod druhé fáze sekundárního vinutí transformátoru je připojen na druhou fázi třetího napěťového střídače.

První fáze třetího napěťového střídače je připojena na první vývod třetí fáze sekundárního vinutí transformátoru a druhý vývod třetí fáze sekundárního vinutí transformátoru je připojen na druhou fázi prvního napěťového střídače. Třetí fáze všech napěťových střídačů jsou vzájemně propojeny.

První vývod první fáze primárního vinutí transformátoru je připojen k první fázi elektrické sítě. První vývod druhé fáze primárního vinutí transformátoru je připojen k druhé fázi elektrické sítě a první vývod třetí fáze primárního vinutí transformátoru je připojen k třetí fázi elektrické sítě. Druhé vývody všech fází primárního vinutí jsou vzájemně propojeny a zároveň jsou připojeny k bodu zemního potenciálu.

Předmětné zařízení pro kompenzaci tvoří třífázový systém pro připojení k třífázové elektrické síti a odstraňuje limity současných topologií kompenzačních zařízení tím, že současně umožňuje generaci sousledné složky třífázového napětí a proudu a generaci netočivé složky napětí a proudu. Tím umožňuje kompenzaci jalového výkonu induktivního i kapacitního charakteru a kompenzaci nesymetrie napětí sítě včetně kompenzace poruch.

Zařízení pro kompenzaci obsahuje tři základní bloky, kde každý z těchto bloků představuje standardní dvouhladinový třífázový napěťový střídač. Zároveň je zařízení způsobilé generovat vícehladinový průběh výstupního napětí sousledné i netočivé složky. Vícehladinového průběhu je dosaženo spojením tří základních bloků, které tvoří dvouhladinové měniče.

Mezi klíčové výhody předmětného řešení patří zejména:

jediné integrované řešení pro souslednou i netočivou složku - v rámci jediného systému je současně umožněno generování sousledné složky pro kompenzaci jalového výkonu a generování netočivé složky pro kompenzaci nesymetrie a zemních poruch;

modulární řešení sestávající ze standardních bloků - dvouhladinové třífázové napěťové střídače, což přináší značnou úsporu pořizovacích nákladů i nákladů na servis. Použitý třífázový napěťový střídač je jedním z nej rozšířenějších měničů na trhu, je součástí mnoha

-2CZ 39102 UI řešení i produktů a je běžně dostupný také jako integrované řešení v rámci jednoho modulu (pouzdra);

kvalitní vícehladinové výstupní napětí sousledné i netočivé složky - přestože se jedná o spojení standardních dvouhladinových měničů, výstupní napětí systému je vícehladinové jak pro souslednou, tak i pro netočivou složku, a dosahuje kvality komplexnějších systémů. Předmětné řešení tedy spojuje výhody vícehladinových měničů, které však představují velmi složité a nákladné řešení, s výhodami jednoduchých, běžně používaných a cenově nenáročných dvouhladinových střídačů. Předmětná řešení současně nevyžaduje nákladnou implementaci galvanického oddělení měřících, řídicích a diagnostických signálů, která je nutná u mnohých jiných vícehladinových měničů.

Předmětné řešení umožňuje generaci sousledné i netočivé složky třífázového napětí a proudu. Pro přenos netočivé složky napětí a proudu do elektrické sítě je zapotřebí speciální uspořádání transformátoru, které umožňuje uzavírání netočivé složky magnetického toku. Takové uspořádání může představovat např. trojice jednofázových transformátorů nebo třífázový transformátor s přídavnou cestou magnetického toku např. v podobě jednoho či více přídavných sloupků magnetického obvodu, plášťového transformátoru, a dalších.

V případě generace sousledné složky napětí a proudu je kompenzován jalový výkon elektrické sítě, induktivního či kapacitního charakteru. Současně lze ze sítě prostřednictvím sousledné složky odebírat činný výkon pro hrazení ztrát měniče a balancování napětí na stejnosměrné straně napěťových střídačů.

V případě generace netočivé složky protéká proud pouze těmi půlmůstky napěťových střídačů, které jsou připojeny k jednotlivým fázím sekundárního vinutí transformátoru. Proud netočivé složky se neuzavírá přes třetí půlmůstky střídačů spojených do hvězdy. Na primární straně se netočivá složka proudu uzavírá přes bod zemního potenciálu, který je spojen se středem hvězdy primárního vinutí. Netočivá složka napětí a proudu slouží ke kompenzaci nesymetrie napětí v elektrické síti nebo ke kompenzaci jednofázového zemního spojení, kdy kompenzační proud protéká přes bod připojení zemního potenciálu.

Hlavním cílem technického řešení je umožnit

a) generování sousledné složky třífázového napětí a proudu,

b) generování netočivé složky třífázového napětí a proudu,

c) generování vícehladinového výstupního napětí.

Navrhované řešení sestává ze tří konvenčních dvouhladinových třífázových napěťových střídačů, které jsou na trhu hojně rozšířeny, což významně snižuje cenu zařízení. Současně je způsobilé generovat vícehladinový průběh napětí potřebný pro dosažení požadované kvality energie vyměňované s elektrickou sítí. Vícehladinové napětí je přitom typické pro alternativní vícehladinové topologie výkonových polovodičových měničů, které se však vyznačují větší cenovou náročností.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkres, kde je na obr. 1 zapojení zařízení pro kompenzaci zemních poruch.

Příklad uskutečnění technického řešení

Zařízení pro kompenzaci zemních poruch obsahuje třífázový transformátor 2 s primárním vinutím 9 a sekundárním vinutím 8. Zařízení dále obsahuje výkonový polovodičový měnič 1. Ten sestává z prvního dvouhladinového třífázového napěťového střídače 3, druhého dvouhladinového

- 3 CZ 39102 UI třífázového napěťového střídače 4 a třetího dvouhladinového třífázového napěťového střídače 5. Každý z napěťových střídačů 3, 4, 5 je tvořen třemi výkonovými půlmůstky 6 a filtrem 7 napětí na stejnosměrné straně.

První fáze prvního napěťového střídače 3 je připojena na první vývod první fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 a druhý vývod první fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 je připojen na druhou fázi druhého napěťového střídače 4. První fáze druhého napěťového střídače 4 j e připoj ena na první vývod druhé fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 a druhý vývod druhé fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 je připojen na druhou fázi třetího napěťového střídače 5. První fáze třetího napěťového střídače 5 je připojena na první vývod třetí fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 a druhý vývod třetí fáze sekundárního vinutí 8 transformátoru 2 je připojen na druhou fázi prvního napěťového střídače 3. To znamená, že vždy právě dva půlmůstky 6 každého střídače 3, 4, 5 jsou svým střídavým výstupem připojeny ke dvěma různým fázím sekundárního vinutí 8 transformátoru 2.

Třetí fáze všech napěťových střídačů 3, 4, 5 jsou vzájemně propojeny. To znamená, že střídavý výstup třetího půlmůstku 6 prvního napěťového střídače 3 je spojen do hvězdy se střídavými výstupy třetích půlmůstků 6 ostatních napěťových střídačů 4, 5. První vývod první fáze primárního vinutí 9 transformátoru 2 je připojen k první fázi elektrické sítě 10. První vývod druhé fáze primárního vinutí 9 transformátoru 2 je připojen k druhé fázi elektrické sítě 10. První vývod třetí fáze primárního vinutí 9 transformátoru 2 je připojen k třetí fázi elektrické sítě 10. Druhé vývody všech fází primárního vinutí 9 jsou vzájemně propojeny do hvězdy a zároveň jsou připojeny k bodu zemního potenciálu 11.

Claims (1)

1. Zapojení zařízení pro kompenzaci zemních poruch obsahujícího třífázový transformátor (2) s primárním vinutím (9) a sekundárním vinutím (8) a dále obsahujícího výkonový polovodičový měnič (1), který sestává z trojice dvouhladinových třífázových napěťových střídačů (3), (4), (5), kde každý z napěťových střídačů (3), (4), (5) je tvořen třemi výkonovými půlmůstky (6) a filtrem (7) napětí na stejnosměrné straně, vyznačující se tím, že první fáze prvního napěťového střídače (3) je připojena na první vývod první fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2), druhý vývod první fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2) je připojen na druhou fázi druhého napěťového střídače (4), první fáze druhého napěťového střídače (4) je připojena na první vývod druhé fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2), druhý vývod druhé fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2) je připojen na druhou fázi třetího napěťového střídače (5), první fáze třetího napěťového střídače (5) je připojena na první vývod třetí fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2), druhý vývod třetí fáze sekundárního vinutí (8) transformátoru (2) je připojen na druhou fázi prvního napěťového střídače (3), přičemž třetí fáze všech napěťových střídačů (3), (4), (5) jsou vzájemně propojeny, první vývod první fáze primárního vinutí (9) transformátoru (2) je připojen k první fázi elektrické sítě (10), první vývod druhé fáze primárního vinutí (9) transformátoru (2) je připojen k druhé fázi elektrické sítě (10), první vývod třetí fáze primárního vinutí (9) transformátoru (2) je připojen k třetí fázi elektrické sítě (10) a druhé vývody všech fází primárního vinutí (9) jsou vzájemně propojeny a zároveň jsou připojeny k bodu zemního potenciálu (11).