Устройство для пофазной компенсации реактивной мощности

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения потерь электрической энергии в трехфазных четырехпроводных сетях низкого напряжения с неравномерной и/или несимметричной нагрузкой и увеличения пропускной способности данных сетей. Технический результат заключается в уменьшении потерь в электрических сетях общего назначения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью и увеличении их пропускной способности путем пофазного регулирования компенсации РМ при использовании постоянной ступени в системе регулирования. Для этого устройство содержит три автоматически регулируемые конденсаторные установки, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, при этом в каждой конденсаторной установке имеется одна нерегулируемая (первая) ступень, мощность которой рассчитана на постоянную составляющую РМ нагрузки. Для регулирования компенсации РМ по каждой фазе используются три независимых блока. Каждый блок подключается к своему трансформатору тока, установленному в каждой фазе сети, и фазному напряжению соответствующей фазы, что позволяет, определяя текущее значение коэффициента мощности независимо по каждой фазе сети и сравнивая его с установленными значениями, осуществлять независимую оценку коэффициента мощности по каждой фазе сети. Если текущее значение коэффициента мощности меньше допустимого значения, то подается сигнал на увеличение емкости конденсаторной установки за счет регулируемого конденсатора данной фазы (С_А, С_В, С_С). В противном случае емкость конденсаторной установки будет уменьшаться. В результате устройство будет осуществлять независимую пофазную компенсацию РМ. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для компенсации реактивной мощности (РМ) в трехфазных электрических сетях с неравномерной нагрузкой общего назначения напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью.

Потребление РМ при неравномерной и/или неоднородной нагрузке в трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом значительно отличается для отдельных фаз, при такой нагрузке происходит протекание тока по нулевому проводу, направление и величина которого зависит от соотношения нагрузок каждой из фаз, что приводит к протеканию по фазам сети токов нулевой и обратной последовательности, вследствие чего величина тока в нулевом проводе возрастает в разы. В зависимости от длительности максимального режима электропотребления при такой нагрузке, может произойти термическое разрушение нейтрального провода. Термическое разрушение нейтрального провода приводит к «перекосу» фазных напряжений.

Известно устройство для симметрирования и компенсации РМ [патент РФ №2229766 кл. H02J 3/18, 2002], позволяющее путем пофазного регулирования симметрирования и компенсации РМ 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 контакте дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе - к нулевому проводу питающей сети.

Недостатками данного устройства являются отсутствие системы автоматического управления, сложность регулирования емкости конденсаторных установок из-за наличия большого количества коммутационных аппаратов, отсутствие нерегулируемой (первой) ступени, отсутствие датчика выдержки времени, что не позволяет устройству оперативно реагировать на установившееся и измененное значение РМ.

Наиболее близким техническим решением является известная адаптивная система энергосбережения трехфазной сети [патент РФ №181451 кл. H02J 3/18, от 24.11.2017], содержащая регулятор РМ, измеритель РМ, входы которого подключаются к выходам датчиков напряжения и тока каждой из фаз сети, а выход которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора РМ, модули контакторов, модули регулирования, первые выводы n управляемых адаптивных реактивных элементов которых подключаются к проводу нейтрали сети, а вторые выводы, которых через соответствующие модули контакторов подключаются к соответствующим линейным проводам сети, адаптивный компенсатор гармоник, входы которого подключаются к соответствующим линейным проводам сети, выход которого подключается к нейтрали сети, а информационный вывод, которого подключен к соответствующему информационному выводу регулятора РМ, датчики помех, первые выводы которых подключаются к соответствующим линейным проводам сети, вторые выводы которых подключаются к проводу нейтрали сети, а информационные выходы которых подключены к соответствующим информационным входам регулятора РМ, при этом управляющие выводы управляемых адаптивных элементов каждого из модулей управляемых адаптивных реактивных элементов соединены с соответствующими управляющими выводами регулятора РМ, введены: измеритель разности фаз, информационные входы которого подключаются к выходам соответствующих датчиков напряжения и тока, контроллер перекоса фаз, информационный вход которого подключен к выходу измерителя разности фаз, дополнительные модули регулирования, каждый из которых содержит в своем составе m управляемых адаптивных реактивных элемента, которые включаются между соответствующими линейными проводами сети, управляющие выводы которых соединены с соответствующими управляющими выводами контроллера перекоса фаз, при этом информационный вывод контроллера сдвига фаз соединен с соответствующим информационным выводом регулятора РМ. При этом адаптивность (управляемых адаптивных реактивных элементов заключается, прежде всего, в их функциональной возможности обеспечивать коммутацию реактивных элементов (косинусных конденсаторов) в момент равенства коммутируемого напряжения с остаточным напряжением на косинусных конденсаторах.

Недостатком данного устройства является наличие двух взаимосвязанных контуров регулирования, что усложняет конструкцию и алгоритм компенсации РМ и устранения перекоса фаз, а также делает данное изобретение более дорогостоящим. Кроме этого отсутствие датчика выдержки времени на срабатывание не позволяет устройству реагировать на кратковременные изменения РМ, что ускоряет процесс износа коммутационных аппаратов и устройств, отсутствие нерегулируемой (первой) ступени.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка надежного и экономичного устройства для пофазной независимой автоматической компенсации РМ с выдержкой времени в трехфазных электрических сетях общего назначения напряжения до 1000 В с глухозаземленной нейтралью с неравномерной нагрузкой по каждой фазе сети, при одновременном обеспечении защиты от перенапряжений силовых трансформаторов.

Данная техническая задача решается за счет того, что в устройство для автоматической независимой пофазной компенсации РМ, содержащее три автоматически регулируемые конденсаторные установки с соединением по схеме звезда с нулевым проводом, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, три регулируемых конденсатора в каждой конденсаторной установке, три трансформатора тока выводы первичной обмотки, которых подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования, три пускателя электромагнитных, подключенные к трем соответствующим регулируемым конденсаторам, введены: три нерегулируемые (первые) ступени в конденсаторных установках, мощность которых рассчитана на постоянную составляющую РМ нагрузки, автоматическая система управления, выполненная с пофазным независимым управлением, состоящая из трех независимых блоков регулирования, выполненных на базе программируемых электронных контроллеров, каждый блок регулирования подключается к фазному напряжению соответствующей фазы, к своим соответствующим трансформаторам тока, измеряющим действующий ток в данной фазе, установленным в каждой фазе сети и регулируемым конденсаторам, три датчика времени срабатывания, подключенные к блокам регулирования и регулируемым конденсаторам.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого изобретения. В состав изобретения входят следующие элементы: три конденсаторные установки 1, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом и содержащие каждая одну нерегулируемую ступень 2 и регулируемые конденсаторы 3; три независимых блока регулирования 4, три трансформатора тока 5, три пускателя электромагнитных 6, датчики времени 7, учитывающие кратковременные изменения РМ.

Изобретение работает следующим образом.

Принцип автоматической независимой пофазной компенсации РМ заключается в целенаправленной компенсации РМ в отельной фазе сети, для этого устройство содержит подключенные к каждой фазе сети, три независимых блока регулирования 4 на базе программируемых электронных контролеров; позволяющие при возникновении несимметрии фазных напряжений в определенных фазах сети осуществлять в автоматическом режиме независимую целенаправленную компенсацию РМ этих фаз, не оказывая воздействия на остальные. Каждый блок регулирования 4 подключаемся к фазному напряжению соответствующей фазы и к своему соответствующему трансформатору тока 5, установленному в каждой фазе сети, определяющему действующий ток в данной фазе. При этом выводы первичной обмотки трансформатора тока 5 подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования 4. С помощью трансформаторов тока 5 и подключения блоков регулирования первыми выводами к соответствующим линейным проводам сети, а вторыми выводами к проводу нейтрали сети на блоки регулирования поступают измеренные сигналы токов и напряжений. После замера токов и напряжений в каждой фазе сети блоки регулирования 4 определяют угол фазового сдвига между напряжениями и токами для каждой фазы сети, учитывая, что коэффициент мощности соответствует косинусу угла фазового сдвига, блоки регулирования 4 определяют текущие значения коэффициентов мощности независимо по каждой фазе сечи и сравнивают их с установленными допустимыми значениями. Если текущее значение коэффициента мощности не соответствует допустимому значению, соответствующим фазе сети блоком регулирования 4 подается сигнал с выдержкой времени к соответствующему электромагнитному пускателю 6 данной фазы, которые в отличие от аналогов на базе полупроводниковых элементов не являются мощными источниками генерации высших гармоник тока и напряжения, для увеличения или уменьшения емкости соответствующей конденсаторной установки 1 за счет регулируемого конденсатора 3 соответствующей фазы, при этом стремясь свести коэффициенты мощности фаз сети к единице. Так если текущее значение коэффициента мощности меньше допустимого значения емкость конденсаторной установки 1 с помощью соответствующего электромагнитного пускателя 6 увеличивается, если же текущее значение коэффициента мощности больше допустимого значения емкость конденсаторной установки 1 с помощью соответствующего электромагнитного пускателя 6 уменьшается. Выдержка времени на срабатывание электромагнитного пускателя 6 с помощью датчика времени 7 позволяет отстроиться от кратковременных изменений РМ, тем самым исключить работу конденсаторной установки 1 при кратковременных изменениях РМ, например, при пуске асинхронных двигателей, и увеличить коммутационный ресурс электромагнитного пускателя 6. Исходя из данных сети, где будет производиться пофазная компенсация РМ, задается мощность первой нерегулируемой ступени 2 конденсаторных установок 1, соединенных по схеме звезда с нулевым проводом. Первая нерегулируемая ступень 2 позволит не только компенсировать постоянную составляющую РМ нагрузки, но и эффективно ограничивать коммутационные перенапряжения при подключении конденсаторной установки к шинам ТП 6(10)/0,4 кВ. Ограничение коммутационных перенапряжений в свою очередь позволяет повысить надежность функционирования представленного изобретения.

Предлагаемое техническое решение экономичное, надежное, эффективное и отличается от аналогов простым исполнением, меньшими габаритами, может заменить известные устройства для компенсации РМ и уменьшения сдвига фаз, используемые в трехфазных четырехпроводных сетях электроснабжения 0,4 кВ при неравномерной нагрузке.

Устройство для пофазной независимой компенсации РМ, содержащее три автоматически регулируемые конденсаторные установки с соединением по схеме звезда с нулевым проводом, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, три регулируемых конденсатора в каждой конденсаторной установке, три трансформатора тока, выводы первичной обмотки которых подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования, три пускателя электромагнитных, подключенные к трем соответствующим регулируемым конденсаторам, отличающееся тем, что в него введены: три нерегулируемые (первые) ступени в конденсаторных установках, мощность, которых рассчитана на постоянную составляющую РМ нагрузки, три независимых блока регулирования, каждый блок регулирования подключается к фазному напряжению соответствующей фазы, к своим соответствующим трансформаторам тока, установленным в каждой фазе сети и регулируемым конденсаторам, три датчика времени срабатывания, подключенные к блокам регулирования и регулируемым конденсаторам.