СПОСОБ ФИЛЬТРАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к промышленной электроэнергетике, и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий с трехобмоточными силовыми трансформаторами.

Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий "Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии", так как решает проблему повышения качества напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий со значительной нелинейной нагрузкой, например, таких как алюминиевые, медные, сталеплавильные заводы и др.

Улучшение одного из показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения достигается фильтрацией высших гармоник.

Известно, что для фильтрации высших гармоник используется последовательное соединение реактора и конденсаторной батареи, индуктивность и емкость которых настроены в резонанс на частоте фильтруемой гармоники.

Известен способ, реализованный в фильтрокомпенсирующем устройстве (патент РФ №2046489, H02J 3/01, H02J 3/18, опубл. 20.10.1995 г.), в котором к трем обмоткам на каждом стержне трехстержневого трансформатора подсоединяют по специальной схеме конденсаторные батареи, реакторы и резисторы. Данное техническое решение позволяет выполнять, наряду с компенсацией реактивной мощности, фильтрацию широкого диапазона гармоник.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются, во-первых, назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Недостатком способа по патенту РФ №2046489 является частичная фильтрация отдельных гармоник и соответственно не полное достижение параметров качества электрической энергии в сети за счет уменьшения несинусоидальности тока и напряжения.

Следует также отметить, что для реализации способа по патенту РФ №2046489 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще трехстержневой трансформатор и реакторы, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Известен способ повышения качества электрической энергии в электрической сети (патент РФ №2317625, H02J 3/18, опубл. 20.02.2008 г.), в котором последовательно с конденсаторными батареями включают однофазные тороидальные дроссели.

Признаками аналога по патенту РФ №2317625, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются, во-первых, назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Данное предложение позволяет обеспечить защиту конденсаторов компенсирующей установки от токов высших гармоник и лишь частично снизить уровень содержащихся в сети высших гармоник.

Кроме того, для реализации способа по патенту РФ №2317625 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще тороидальные дроссели, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Известен способ фильтрации высших гармоник, реализованный в трехфазном комбинированном фильтрокомпенсирующем устройстве (авторское свидетельство СССР №1718328, H02J 3/18, опубл. 07.03.1992 г.), в котором конденсаторы и реакторы включают по специальной схеме. Данное техническое решение позволяет расширить функциональные возможности уменьшением числа типоисполнений фильтровых реакторов при обеспечении эффективной фильтрации заданных высших гармоник.

Признаками аналога по авторскому свидетельству СССР №1718328, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются: назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Недостатком способа по авторскому свидетельству СССР №1718328 является сложность создания резонансных контуров.

Кроме того, для реализации способа по авторскому свидетельству СССР №1718328 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще реакторы, что приводит также как и в предыдущих аналогах к дополнительным материальным затратам, а конструктивная сложность способа снижает надежность.

За прототип заявляемых способов по независимым пунктам 1 и 2 формулы изобретения принят способ фильтрации высших гармоник, реализованный в Г-образном фильтре низших частот (Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - М.: Энергоатомиздат, 2000 г., с.185), в котором контур образуют индуктивностью трансформатора и емкостью батарей конденсаторов, т.е. вместо реактора используют специально выделенный трансформатор.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются: назначение - фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание последовательного резонансного контура из индуктивности трансформатора и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте.

Недостатком способа прототипа является неполное использование мощности трансформатора при использовании его в качестве индуктивности резонансного контура. Кроме того, дополнительное использование трансформатора как элемента фильтра приводит к дополнительным материальным затратам.

В общем случае при фильтрации высших гармоник для обеспечения индуктивности в цепи последовательного резонанса используется отдельный реактор или трансформатор, что приводит к дополнительным материальным затратам на его приобретение.

Изобретение направлено на решение задачи энергосбережения и энергоэффективности в системах электроснабжения.

Техническим результатом решения является повышение качества электрической энергии в сети за счет уменьшения несинусоидальности тока и напряжения.

Технический результат достигается тем, что в способе фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте согласно изобретению по п.1 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура.

Технический результат достигается тем, что в способе фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте согласно изобретению по п.2 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения, выбирают две близкие частоты соседних гармоник, рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте.

Для достижения технического результата в качестве индуктивности в последовательной цепочке фильтра используют индуктивность обмотки низкого напряжения трехобмоточного силового трансформатора или автотрансформатора.

Использование обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения позволяет реализовать резонансный контур фильтра высших гармоник.

Настройка емкости конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура позволяет обеспечить фильтрацию высших гармоник и повышение качества электрической энергии.

Расчет фильтруемой частоты, находящейся в диапазоне двух выбранных частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настройка емкости конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте позволяет более эффективно повышать качество электрической энергии за счет расширения диапазона воздействия на две гармонические составляющие.

Необходимость и достаточность указанного подтверждается следующим. Имеет место, когда на подстанциях устанавливаются трехобмоточные трансформаторы (автотрансформаторы), обмотка низкого напряжения которых не нагружена или нагружена незначительно. В прототипе конденсаторные батареи, создающие емкость, включают последовательно со специально установленным трансформатором, создающим индуктивность в резонансной цепочке. В предлагаемом решении конденсаторные батареи, создающие емкость, включают последовательно с обмоткой низкого напряжения трехобмоточного силового трансформатора (автотрансформатора), индуктивность которой обеспечивает индуктивность в резонансной цепочке фильтра высших гармонических составляющих.

Отличия от прототипа заявляемых по пп.1 и 2 способов подтверждают их новизну.

Из уровня техники неизвестно использование в качестве индуктивности последовательного резонансного контура обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора самой сети высокого напряжения. Другими словами, для специалиста в данной области техники явным образом не следует возможность использования в качестве индуктивности последовательного резонансного контура обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора самой сети высокого напряжения для уменьшения несинусоидальности тока и напряжения и, в конечном счете, для повышения качества электрической энергии в сети. Следовательно, заявляемые способы по пп.1 и 2 соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема заявляемых способов;

- на фиг.2 представлена схема замещения трехфазного трехобмоточного трансформатора с подключенной конденсаторной батареей на низкой стороне и нагрузкой на средней стороне в однолинейном виде;

- на фиг.3 представлена принципиальная схема сети 35 кВ с подключенными потребителями.

Элементы на чертежах обозначены следующими позициями:

1 - силовой трехобмоточный трансформатор;

2 - обмотка низкого напряжения;

3 - конденсаторная батарея;

4 - емкостное сопротивление конденсаторной батареи в схеме замещения сети;

5 - индуктивное сопротивление обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора в схеме замещения сети.

В способе к обмотке низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 (или автотрансформатора) подключают конденсаторную батарею (БСК) 3, емкость (емкостное сопротивление Х_БСК 4) которой рассчитывают по условию последовательного резонанса на частоте фильтруемой гармоники по индуктивности (индуктивному сопротивлению) обмотки низкого напряжения (Х_НН) 5.

По способу фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения по п.1 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи 3 по условию резонанса последовательного резонансного контура.

По способу фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения по п.2 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 сети высокого напряжения, выбирают две близкие частоты, рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи 3 по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте.

Для повышения эффективности фильтра путем обеспечения одновременной фильтрации двух соседних гармоник, например 11 и 13 или 5 и 7, настраиваем фильтр на промежуточную частоту. Для 11 и 13 гармоник в расчетном примере методом подбора получено значение 11,5.

Принцип действия изобретения состоит в следующем - при появлении в сети токов высших гармоник токи распределяются в ветвях сети обратно пропорционально сопротивлениям ветвей, то есть больший ток потечет в ветви, которые обладают наименьшим сопротивлением на частоте фильтруемой гармоники. Соответственно, напряжение гармоники в точке подключения фильтра будет минимальным (здесь в средней точке схемы замещения), то есть будет обеспечено минимальное напряжение на частоте фильтруемой гармоники для нагрузки, подключенной к средней стороне трансформатора.

Для подтверждения эффекта снижения уровня высших гармоник на нагрузке (сеть 35 кВ с подключенными потребителями) были проведены расчеты участка сети. Принципиальная схема сети показана на Фиг.3. Источником высших гармоник (одиннадцатой и тринадцатой) в сети является алюминиевый завод, который подключен непосредственно на шины ГЭС. Подстанция №1 подключена к шинам ГЭС через ЛЭП-220 кВ общей протяженностью 150 км.

Сопротивление генераторов I секции 220 кВ ГЭС на частоте первой гармоники (для расчетного режима) равно:

Сопротивление генераторов II секции 220 кВ ГЭС равно:

Токи n-й гармоники (расчет проводим для 11 и 13 гармоник) I_n получены в результате измерений (для каждой секции 220 кВ ГЭС отдельно):

;

;

;

Параметры схемы замещения для элементов сети (на частоте первой гармоники) рассчитаны по формулам:

- для ВЛ-220 кВ I секция ГЭС - Подстанция №6:

X=X_o×l=0,422×93,62=39,5 Ом,

b=b_o×l=2,684×93,62=251,3 мкСм,

- для ВЛ-220 кВ II секция ГЭС - Подстанция №6:

X=X_o×l=0,422×93,96=39,6 Ом,

b=b_o×l=2,684×93,96=252,2 мкСм,

- для ВЛ-220 кВ Подстанция №6 - Подстанция №1:

X=X_o×l=0,419×56,45=23,6 Ом,

b=b_o×l=2,705×56,45=152,7 мкСм,

- для трансформатора Подстанция №1 реактивное сопротивление обмотки высшего напряжения:

- реактивное сопротивление обмотки среднего напряжения:

Х_ТС≈0,

- реактивное сопротивление обмотки низшего напряжения:

- для батареи статических конденсаторов реактивное сопротивление:

Х_БСК=X_ТНn²=135,4×11,5²=17910 Ом,

где n - гармоника, на которую настроен фильтр (для повышения эффективности фильтра путем обеспечения одновременной фильтрации 11 и 13 гармоник настраиваем фильтр на частоту 11,5 - здесь получено методом подбора);

- для нагрузки:

Рассчитаем мощность конденсаторной батареи 3:

- ток основной гармоники (первой гармоники), протекающий через фильтр, рассчитан по формуле:

- токи одиннадцатой и тринадцатой гармоник, протекающие через фильтр, получены в результате расчета:

I₁₁=1,231 А,

I₁₃=0,838 A,

- полный ток, протекающий через фильтр, равен:

,

- мощность конденсаторной батареи (с учетом параметров резонансной настройки последовательного колебательного контура):

Получены следующие расчетные значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения К_u и гармонических составляющих K_U(n) на подстанциях (в %) до и после установки фильтра специальной настройки на шинах 6 кВ Подстанции №1 (таблица 1).

Установка фильтра с настройкой по заявляемым способам на шинах 6 кВ Подстанции №1 снижает коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения K_U в сети, питающейся от шин среднего напряжения (35 кВ) Подстанции №1 в 5-8 раз, то есть до значений, не превышающих по ГОСТ 13109-97 норм (таблица 2).

Таким образом, расчеты показали, что применение предлагаемого способа приводит к снижению коэффициентов несинусоидальности кривой напряжения K_U и коэффициентов n-х гармонических составляющих K_U(n) в системах электроснабжения с трехобмоточными трансформаторами. Обеспечивается экономический эффект, который заключается в существенном снижении стоимости мероприятий по нормализации коэффициентов искажения синусоидальности и коэффициентов n-й гармонической составляющей кривой напряжения.

В результате использования изобретения уменьшаются затраты на оборудование фильтра за счет использования в качестве индуктивности низкую обмотку силового трехобмоточного трансформатора, а не специально устанавливаемого реактора.