Устройство относится к области электротехники, в частности к регулированию потоков активной, реактивной мощности и ограничению токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ.
Известен способ ограничения токов короткого замыкания (RU 2340028, МПК H01F 29/14, дата публикации 27.11.2008), при котором используют в качестве токоограничивающего устройства последовательно включенный в сеть управляемый подмагничиванием электрический реактор. К первому недостатку данного способа относится невозможность выполнять регулирование перетоков активной и реактивной мощности в режимах нагрузки, не сопровождающиеся короткими замыканиями. Вторым недостатком является отсутствие регулирования напряжения по величине и по фазе за устройством для исключения потери напряжения на устройстве в режимах нагрузки. Третий недостаток заключается в необходимости дополнительного источника подмагничивания - выпрямителя, который необходимо питать от сети собственных нужд подстанции или от обмоток реактора, создающий дополнительные потери мощности устройства в целом, имеющий сложности в выполнении, изготовлении и обслуживании.
Известно устройство (RU 2450420, МПК Н03С 3/00, дата публикации 10.05.2012), содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовой трансформатор, первичные обмотки которого соединены по схеме звезды, низковольтные выводы которой заземлены, высоковольтные выводы подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ФПУ. Вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде N гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к входным клеммам трехфазного высоковольтного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече. Концы каждой цепочки трехфазного высоковольтного коммутатора подключены к концам соответствующей первичной обмотки сериесного трансформатора. В каждой фазе трехфазного высоковольтного коммутатора N однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей выполнены на напряжение той секции, к которой они подключены. Первым недостатком указанного устройства является отсутствие плавного регулирования перетока мощности, так как переключение устройства происходит дискретно. Для выполнения возможности дискретных переключений устройства ФПУ требуется реализация в каждой фазе шунтового трансформатора большого количества обмоток, коммутируемых таким же большим количеством двунаправленных тиристорных мостов. Вторым недостатком является наличие сложностей управления ФПУ и задания алгоритма переключений полупроводниковых коммутаторов в связи с большим количеством ступеней регулирования, а также необходимости выполнения одновременных коммутаций нескольких вторичных обмоток одной фазы шунтового трансформатора. Указанная проблема приводит к тому, что для изменения угла регулирования ФПУ требуется изменять режим работы всех тиристорных мостов, причем переключения мостов не всегда возможны. Возможность переключения существует при определенном соотношении тока и напряжения для коммутации тиристорных ключей и выполняется только в течение некоторого временного интервала. Переключения тиристорных мостов вне пределов таких временных интервалов приведут к формированию контура протекания ударного тока короткого замыкания. Третьим недостатком является наличие режимом ФПУ, где наблюдается выход за допустимые пределы напряжения линии электропередач (как перенапряжения, так и провалы напряжения) и невозможность перехода из одного угла регулирования ФПУ в другой (переход ФПУ в режим неуправляемости) из-за того, что для всех мостов, подлежащих переключению, определяется пересечение интервалов коммутации и в полученный временной промежуток выполняется смена угла регулирования. В некоторых режимах этот переход невозможно выполнить, в том числе в связи с сильной зависимостью от коэффициента мощности (угла нагрузки), который в транзитной электрической сети может принимать значения cosφ=0,4…0,99. По этой причине при выполнении перехода из одного угла регулирования ФПУ в другой будем иметь перенапряжения в линии электропередач, в которую включен ФПУ, или переход ФПУ в режим неуправляемости. Четвертым недостатком является невозможность использования ФПУ для ограничения токов короткого замыкания в транзитной электрической сети. Пятым недостатком является наличие существенной взаимной магнитной связи по потокам рассеяния между вторичными обмотками устройства из-за большого количества обмоток шунтового трансформатора, что приводит к дополнительному увеличению переходного процесса. Шестым недостатком является переход ФПУ в установившийся несимметричный режим вследствие несовпадения во времени разрешенных интервалов безопасного переключения для тиристорных мостов по трем фазам. Такой режим возникает за счет того, что переключение первых двух фаз тиристорных коммутаторов ФПУ приводит к исчезновению разрешенных временных интервалов в третьей коммутируемой фазе. Указанные недостатки дополнительно приводят к снижению надежности самого ФПУ, сложности изготовления и увеличению стоимости устройства, снижению срока эксплуатации тиристоров, а также к пробоям тиристоров в стойках. Указанное устройство было выбрано в качестве прототипа.
Целью предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков, а также реализация в одном аппаратном устройстве функций управления перетоками активной и реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство комплексного управления перетоками активной, реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания содержит трансформатор, обмотки которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередач. Три управляемых трансформатора состоят из трех обмоток, связанных магнитной связью. Одни из обмоток подключены в рассечку контролируемых фаз линии электропередач и увеличивают, в режимах ограничения токов короткого замыкания, свое реактивное электрическое сопротивление при отсутствии воздействия на них магнитного потока двух других обмоток. Вторые обмотки подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на линейные напряжения фаз, отличных от контролируемых фаз, соответствующим управляемым трансформатором линии электропередач и составляют линейный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования активной мощности. Третьи обмотки подключены через тиристорные блоки, получающие импульсы управления от измерительно-логического блока, задающих их на основании показаний измерительных приборов, на вторичные обмотки трансформаторов связи, первичные обмотки которых подключены на фазные напряжения соответствующих контролируемых фаз данным управляемым трансформатором и составляют фазный контур инжектирования добавочной составляющей напряжения линии электропередач для режимов регулирования реактивной мощности.
В состав устройства комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания (далее - устройства) входят следующие элементы (Фиг. 1). Управляемые трансформаторы УТ1, УТ2, УТ3, каждый, соответственно, состоящий из фазных обмоток 1, 4, 7, инжектирующих линейных обмоток 2, 5, 8 и инжектирующих фазных обмоток 3, 6, 9; трансформаторы связи Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6 с соответствующими первичными обмотками 10, 12, 14, 16, 18, 20 и вторичными обмотками 11, 13, 15, 17, 19, 21; блоки тиристорных преобразователей БТ1, БТ2, БТ3, БТ4, БТ5, БТ6; измерительные трансформаторы тока ТТ1, ТТ2, ТТ3, ТТ4, ТТ5, ТТ6, ТТ7, ТТ8, ТТ9; измерительные трансформаторы напряжения ТН1, ТН2, ТН3, ТН4, ТН5, ТН6; преобразователи сигнала измерительных трансформаторов напряжения П1, П4; преобразователи сигнала измерительных трансформаторов тока П2, П3; измерительно-логический блок ИЛБ; преобразователи сигналов тиристорных блоков ПС1, ПС2, ПС3; входные контакты А, В, С; выходные контакты А′, В′, С′.
Устройство работает следующим образом (Фиг. 2). Устройство подключено в рассечку транзитной линии электропередач (ЛЭП), на которой необходимо ликвидировать возникающие токовые перегрузки в нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах электрической сети, а при коротких замыканиях ограничивать протекающие токи короткого замыкания до уровней отключающей способности коммутационных аппаратов в транзитных электрических сетях 35-220 кВ. При этом контакты А, В, С являются входными, к ним подключены соответствующие фазы рассеченной транзитной ЛЭП, контакты А′, В′, С′ являются выходными, к ним подключены соответствующие фазы продолжения транзитной ЛЭП. Входные концы фазных обмоток 1, 4, 7 управляемых трансформаторов УТ1, УТ2, УТ3 подключены к входным контактам А, В, С, выходные концы подключены к выходным контактам А′, В′, С′ в соответствии с расположением фаз. Таким образом, данные обмотки замыкают собой электрической связью контакты А, В, С и А′, В′, С′ и по ним протекают соответствующие фазные токи. Значения этих токов измеряются измерительными трансформаторами тока ТТ7, TT8, ТТ9. Также происходит измерение напряжения на выходе устройства измерительными трансформаторами напряжения ТН4, ТН5, ТН6. Измеренные значения выходных токов и напряжений преобразуются преобразователями П3, П4 в сигналы, идущими далее на измерительно-логический блок ИЛБ, где анализируются. После анализа входящих сигналов ИЛБ формирует импульсы воздействия, подающиеся на блоки тиристоров БТ1 - БТ6 через преобразователи сигналов ПС1 - ПС3 соответственно, которые разделяют и формируют воздействующие импульсы раздельно на блоки тиристоров фазных и межфазных инжектирующих контуров. Получив соответствующий импульс управления блоки тиристоров БТ1 - БТ6 задают уровень протекания через них среднего и действующего значения токов, таким образом создавая на катушках 2, 3, 5, 6, 8, 9 соответствующие значения и направления векторов напряжения, которые создают соответствующий уровень и направление магнитных потоков, пронизывающих фазные обмотки 1, 4, 7. В результате этого происходит регулирование векторов напряжения ЛЭП как по величине, так и по фазе. Для использования тиристоров в БТ1 - БТ6 на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение, в связи с чем тиристорный ключ способен проводить электрический ток в обоих направлениях. В состав каждых из трех управляемых трансформаторов УТ1, УТ2, УТ3 входят по две инжектирующие катушки. Для УТ1 это катушка межфазного контура 2 и катушка фазного контура 3. Для УТ2 это катушка межфазного контура 5 и катушка фазного контура 6. Для УТ3 это катушка межфазного контура 8 и катушка фазного контура 9. При этом катушка 11, блок тиристоров БТ1 и катушка 2 управляемого трансформатора УТ1 фазы А создают межфазный контур управления, получающий энергию из трансформатора Т1, катушка 10 которого подключена своими выводами на линейное напряжение двух других фаз, т.е. на фазы В и С. Аналогичное подключение через катушки 14 и 18 (на линейное напряжение двух других фаз, отличных от фазы, в которой происходит регулирование) имеют межфазные контуры управления фаз В и С, состоящие, соответственно, из элементов 15, БТ3, 5 (для фазы В) и 19, БТ5, 8 (для фазы С). Так как межфазное напряжение других фаз, отличных от фазного напряжения данной фазы, имеет сдвиг на 90 градусов (фиг. 3), то обмотка 11 задает на обмотке 2 напряжение, отличное от напряжения входной в устройство фазы А на величину 90 градусов по фазе, и по амплитуде, величину которой задает блок тиристоров БТ1. Аналогичные процессы регулирования посредством межфазных контуров происходят в фазах В и С устройства. Катушка 13, блок тиристоров БТ2 и катушка 3 управляемого трансформатора УТ1 фазы А составляют фазный контур управления, получающий энергию из трансформатора Т2, катушка 12 которого подключена своими выводами на фазное напряжение той фазы, в которой происходит регулирование, т.е. фазы А. Аналогичное подключение через катушки 16 и 20 имеют фазные контуры фаз В и С, состоящие, соответственно, из элементов 17, БТ4, 6 и 21, БТ6, 9. При изменениях среднего и действующего значений токов в контурах обмоток 2, 3, 5, 6, 8, 9 за счет регулирования момента подачи сигнала управления от ИЛБ на БТ1, БТ2, БТ3, БТ4, БТ5, БТ6 устройство позволяет регулировать инжектируемое напряжение 9U в ЛЭП по величине и по фазе, необходимое для регулирования активной и реактивной мощности ЛЭП, а при значительных изменениях тока в контурах обмоток 2, 3, 5, 6, 8, 9 приводящее к возрастанию результирующих магнитных потоков в магнитопроводах УТ1, УТ2, УТ3 и существенному увеличению индуктивного сопротивления устройства, превышающего эффект от инжекции ΔU, позволяющее осуществить быстродействующее ограничение токов короткого замыкания в электрической сети. Регулирование тока в контурах обмоток 2 и 11,5 и 15,8 и 19 позволяет получить инжектируемый вектор напряжения ΔU1 (Фиг. 3) в ЛЭП, меняющий фазу напряжения на угол δ, необходимый для регулирования активной мощности ЛЭП, это достигается за счет включения обмоток 10, 14, 18 трансформаторов Т1, Т3, Т5 на линейное напряжение двух других фаз, отличных от фазы, в которую происходит инжекция ΔU1. Регулирование тока в контурах обмоток 3 и 13,6 и 17, 9 и 21 позволяет получить инжектируемый вектор напряжения 9U2 в ЛЭП, меняющий модуль напряжения ЛЭП, необходимый для регулирования реактивной мощности ЛЭП, это достигается за счет включения обмоток 12, 16, 20 трансформаторов Т2, Т4, Т6 на фазное напряжение той же фазы, в которую происходит инжекция ΔU2. Существенное увеличение индуктивного сопротивления устройства достигается путем форсировки подмагничивания магнитопровода УТ1, УТ2, УТ3, управляя изменением среднего и действующего значений токов одновременно в тех контурах обмоток 2-11, 3-13, 5-15, 6-17, 8-19, 9-21 в фазах ЛЭП, где включены УТ1, УТ2, УТ3, в которых произошло короткое замыкание, за счет регулирования момента подачи сигнала управления от ИЛБ на БТ1, БТ2, БТ3, БТ4, БТ5, БТ6. Среднее и действующее значения токов в контурах устройства регулируются за счет изменения момента подачи на тиристоры открывающих сигналов, то есть за счет изменения угла управления. При работе устройства значения углов управления тиристоров в блоках БТ1, БТ2, БТ3, БТ4, БТ5, БТ6 изменяются при помощи системы управления, формируемой сигналом от ИЛБ.
Технический результат работы устройства состоит в управлении потоками активной и реактивной мощности, а также ограничения тока короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ.
