Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности

 

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обеспечении норм качества и уменьшении потерь электроэнергии в трехфазных электрических сетях общего назначения напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, путем пофазного регулирования (отдельного для каждой фазы сети) симметрирования и компенсации реактивной мощности при одновременном расширении диапазона регулирования. Для этого устройство содержит первый и второй трехфазные выключатели, при этом второй трехфазный выключатель выполнен с пофазным независимым управлением, три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником с тремя внешними зажимами, третьи из которых подключены к фазам питающей сети, дополнительный трехфазный выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, при этом трехфазные батареи конденсаторов первыми внешними зажимами напрямую, а вторыми внешними зажимами через нормально замкнутые однополюсные выключатели соединены в три общие точки, которые подключены к входам контактов первого и дополнительного трехфазных выключателей, сблокированных от одновременного включения, и через контакты первого трехфазного выключателя могут быть подключены к фазам питающей сети, а через контакты дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе - к нулевому проводу питающей сети. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для компенсации реактивной мощности (РМ) и симметрирования трехфазных электрических сетей общего назначения напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью.

Известна трехфазная конденсаторная батарея [патент РФ № 2002351, кл. Н 02 J 3/18, 1993] с дискретным управлением, содержащая секции из соединенных в треугольник однофазных конденсаторов и трехфазные силовые коммутаторы в количестве, равном числу секций, в каждую группу из трехфазных конденсаторов введен один трехфазный силовой коммутатор, причем в каждой группе первые выводы всех трехфазных конденсаторов соединены с выходами первого силового коммутатора, другие выводы групп соединены с выходами второго и третьего силовых коммутаторов и третьи выводы всех групп соединены с выходами общего для групп силового коммутатора, входы общего силового коммутатора, первых и вторых коммутаторов групп соединены с фазами трехфазной сети, а выходы общих силовых коммутаторов групп замкнуты между собой.

Известно также трехфазное ступенчато регулируемое компенсирующее и симметрирующее устройство [а.с. СССР № 1718325, кл. Н 02 J 3/18, 1992], содержащее три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником, вершины которых подключены к фазам питающей сети через первый трехфазный выключатель, а конденсаторы одной стороны треугольника каждой батареи соединены в дополнительный треугольник, вершины которого вместе со свободными вершинами остальных треугольников конденсаторов подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением.

Общим недостатком этих устройств при использовании в трехфазных четырехпроводных электросетях напряжением 0,4 кВ (наиболее распространенного вида электросетей общего назначения напряжения до 1000 В) является невозможность симметрирования ими отдельно взятых фазных напряжений (U_A, U_B, U_C) и по фазной компенсации РМ, в то время как межфазное симметрирование и компенсация РМ, осуществляемое данными устройствами, может привести к превышению допустимых значений отклонения и коэффициентов несимметрии напряжения, установленных норм и, как следствие, к увеличению потерь электроэнергии во всех элементах сети, особенно учитывая, что в четырехпроводных электросетях 0,4 кВ РФ преобладают трансформаторы со схемой соединения обмоток "звезда - звезда-ноль" (Y-Y_H), потери в которых при несимметрии фазных напряжений (U_A, U_B, U_C) резко возрастают.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение норм качества и уменьшение потерь электроэнергии в трехфазных электрических сетях общего назначения напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, путем пофазного регулирования (отдельного для каждой фазы сети) симметрирования и компенсации РМ при одновременном расширении диапазона регулирования.

Такой технический результат достигается тем, что в устройство для симметрирования и компенсации РМ, содержащее три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником, вершины которых подключены к фазам питающей сети через первый трехфазный выключатель, а конденсаторы одной стороны треугольника каждой батареи соединены в дополнительный треугольник, вершины которого вместе со свободными вершинами остальных треугольников конденсаторов подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением, введен дополнительный трехфазный (трехполюсный) выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, при этом дополнительный трехфазный выключатель сблокирован от одновременного включения с первым трехфазным выключателем, входы его контактов подключены к выходам контактов первого трехфазного выключателя, а выходы контактов выполнены замкнутыми между собой и соединены с нулевым проводом питающей сети, причем три однополюсных выключателя подключены между одноименными вершинами, соединенных в дополнительный треугольник трех трехфазных батарей конденсаторов и общими точками выхода контактов первого трехфазного выключателя и входа контактов дополнительного трехфазного выключателя.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - варианты схем соединений конденсаторов при предлагаемом расширении функции регулирования и симметрирования; на фиг.3 - векторные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит конденсаторы 1-9, соединенные треугольником в три трехфазные батареи 10, 11, 12 с внешними зажимами 13, 14, 15 в батарее 10, 16, 17, 18 в батарее 11 и 19, 20, 21 в батарее 12. Трехфазные батареи конденсаторов 10, 11, 12 первыми внешними зажимами (15 - в батарее 10, 18 - в батарее 11, 21 - в батарее 12) напрямую, а вторыми внешними зажимами (13 - в батарее 10, 16 - в батарее 11, 19 - в батарее 12) через нормально замкнутые однополюсные выключатели 30, 31, 32 соединены в общие точки 22, 23, 24, которые подключены к входу контактов первого трехфазного (трехполюсного) выключателя 25 и входу контактов дополнительного трехфазного (трехполюсного) выключателя 29, сблокированных от одновременного включения. Через контакты выключателя 25 точки 22, 23, 24 могут быть подключены соответственно к фазам А, С и В электросети, а через контакты выключателя 29, замкнутые между собой на выходе, - к нулевому проводу электросети. Третьи внешние зажимы трехфазных батарей конденсаторов (14 - в батарее 10, 17 - в батарее 11, 20 - в батарее 12) через независимо управляемые однофазные (однополюсные) контакты 26, 27, 28 второго трехфазного выключателя 33 могут быть подключены соответственно к фазам В, С и А электросети.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Трехфазные батареи конденсаторов 10, 11, 12 через контакты выключателей 25 или 33 могут быть подключены к фазам, а через контакты выключателя 29 к нулевому проводу четырехпроводной электросети напряжения до 1000 В, причем обмотки питающего сеть трансформатора соединены по схеме Y-Y_H. При симметричной нагрузке электросети установка обеспечит пять ступеней симметричного регулирования РМ. Примем РМ каждого конденсатора 1-9 при подключении "треугольником" на линейное напряжение равной 1 (Q_n=1), тогда при различных комбинациях положений выключателей 25-32 получим:

1. Контакты 26, 27, 28, 30, 31, 32 - замкнуты, 25, 29 - разомкнуты, схема замещения фиг. 2а. РМ каждой фазы Q_a=Q_b=Q_c=0,6 и суммарная генерируемая в сеть PM, QΣ=1,8.

2. Контакты 25, 30, 31, 32 - замкнуты, 26, 27, 28, 29 - разомкнуты, схема замещения - фиг. 2б, Q_A=Q_B=Q_C=1,5, QΣ=4,5.

3. Контакты 25, 26, 27, 28, 30, 31, 32 - замкнуты, 29 - разомкнут, схема замещения фиг.2в, Q_A=Q_B=Q_C=3, QΣ=9.

Соотношение диапазона регулирования РМ - 1:2,5:5 аналогично “прототипу” [а.с. СССР № 1718325, кл. Н 02 J 3/18, 1992].

4. Контакты 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 - замкнуты, 25 - разомкнут, схема замещения фиг. 2г. Так как по данной схеме конденсаторы 1-9 батарей 10-12 соединены "звездой", мощность каждого конденсатора будет в 3 раза меньше, чем при их соединении "треугольником" (Q_n=1/3), Q_A-O=Q_B-O=Q_C-O=2/3, QΣ=2.

5. Контакты 26, 27, 28, 29 - замкнуты, 25, 30, 31, 32 - разомкнуты, схема замещения фиг. 2д, Q_A-O=Q_B-O=Q_C-O=1/2, QΣ=1,5.

Таким образом диапазон регулирования по предлагаемой схеме (фиг.1) составит 1:1, 2:1, 33:3:6.

В случае неравномерной или неоднородной (активной и индуктивной или емкостной) нагрузки электросети произойдет смещение нейтрали нагрузки (точка О’ фиг. 3а), направление и величина которого зависит от соотношения нагрузок каждой из фаз. Допустим, в электросети имеет место следующий характер распределения однофазной нагрузки: индуктивный в фазе А и активный в фазах В и С (фиг. 3а). Так как в целом трехфазная нагрузка несимметрична, произойдет смещение нейтрали нагрузки (отрезок OO’ фиг. 3а) на величину напряжения U₀=I₀z₀, где I₀ - составляющая тока нулевой последовательности, a z₀ - полное сопротивление нулевой последовательности, при этом величины фазных напряжений (U_A,U_B,U_C, фиг. 3а) будут искажены, что приведет к увеличению потерь электроэнергии в трансформаторе, электросети и электрооборудовании потребителей, а также к возможному несоответствию допустимых значений отклонения и коэффициента несимметрии напряжения установленным нормам. В этом случае восстановить симметрию электросети позволит целенаправленная компенсация РМ в фазе А. Для этого в установке (фиг.1) должны быть замкнуты контакты выключателей 29 и 27, часть конденсаторной батареи 11 будет подключена на напряжение АО’ (фиг. 2е,ж) и ее емкостным током I_AC будет скомпенсирована РМ (фиг. 3а) и восстановлена симметрия электросети. Выключатели 30, 31, 32 позволяют регулировать значение генерируемой мощности (фиг. 2д), с соотношением диапазона регулирования 1:1,33. Аналогично выключателями 26, 27, 29 можно подключить часть конденсаторов батарей 10 и 12 соответственно на напряжения _BO' и U_CO'.

При использовании же симметрирующего устройства [а.с. СССР № 1718325, кл. Н 02 J 3/18, 1992] подобного эффекта добиться нельзя, так как при компенсации РМ фазы А будут в различных соотношениях подключены конденсаторы и в фазах В и С (I_Bc, I_Cc, фиг. 3б), что в данном случае вызовет перекомпенсацию РМ данных фаз (I’_B, I’_C, фиг. 3б) и несмотря на скомпенсированную РМ фазы А несимметрия (U_A, U_B, U_c, фиг. 3б) устранена не будет.

Устройство позволит расширить функциональные возможности работы как при симметричном, так и несимметричном режимах нагрузки электросети напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, причем его использование для компенсации РМ при несимметричной нагрузке сети и в режиме симметрирования позволит уменьшить потери электроэнергии на 20-40% при одновременном повышении ее качества.

Формула изобретения

Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности, содержащее первый трехфазный выключатель, три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником с тремя внешними зажимами, третьи из которых подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением, отличающееся тем, что в него введены дополнительный трехфазный выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, при этом трехфазные батареи конденсаторов первыми внешними зажимами напрямую, а вторыми внешними зажимами через нормально замкнутые однополюсные выключатели соединены в три общие точки, которые подключены к входам контактов первого и дополнительного трехфазных выключателей, сблокированных от одновременного включения и через контакты первого трехфазного выключателя могут быть подключены к фазам питающей сети, а через контакты дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе, - к нулевому проводу питающей сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3