Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для включения силового трансформатора

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам энергоснабжения, и может быть использовано в трансформаторных подстанциях для включения силового трансформатора под нагрузкой.

В настоящее время на трансформаторных подстанциях применяют электрические аппараты, которые не обеспечивают регулируемое включение силовых трансформаторов. Это создает броски пусковых токов, просадку напряжения и дополнительные потери у электрооборудования и в сети.

Для регулируемого включения силовых трансформаторов с ограничением электродинамических усилий и снижением материалоемкости электрооборудования подстанций предназначают электронные аппараты (тиристорные пускатели), но их продолжительная работа в силовых цепях создает дополнительные потери на полупроводниковых переходах в приборах силовой электроники. Применение электронно-электрических аппаратов позволяет объединить их достоинства и устранить недостатки.

Известно устройство для включения силового трансформатора (АС №639120 СССР, опубл. 25.12.1978 в Бюл. №47). Оно содержит сеть с автоматическим выключателем, полупроводниковый преобразователь и трехфазный контактор, шунтирующий полупроводниковый преобразователь после завершения процесса включения силового трансформатора. В качестве полупроводникового преобразователя используется трехфазный тиристоры ключ, который вместе с автоматическим выключателем включен в цепь первичной обмотки силового трансформатора. Устройство при помощи специальной системы управления трехфазным тиристоры ключом сначала подключает две фазы первичной обмотки силового трансформатора к сети, а затем третью.

К недостаткам известного устройства с тиристорным управляемым подключением трехфазного силового трансформатора к трехфазной сети следует отнести сложность и сравнительно низкую эксплуатационную надежность.

Известно также устройство для включения силового трансформатора (Патент №119903 РФ, МПК: G05F 1/10, опубл. 27.08.2012. в Б.И. №24 и статья «Способы и устройства для включения и отключения трехфазных нагрузок» в журнале Электротехнические комплексы и системы управления, Воронеж, 2015, №2, стр. 27, рис. 6.), которое взято за прототип. Электронная часть устройств работает в соответствии со специальным алгоритмом управления и операциями известного способа включения трехфазного силового трансформатора (Патент №2536304 РФ, МПК: Н02Р 13/06, опубл. 20.12.2014. в Б.И. №35), который дополняет прототип, поясняя структуру построения устройства.

В известном устройстве (прототипе) после включения автоматического выключателя трехфазное напряжение сети подается на вентильный преобразователь, который выполнен на тиристорах и при помощи специальной синхронизированной и фазированной с сетью аналого-цифровой системы управления производит подключение сначала двух фазных первичных обмоток силового трансформатора к соответствующим фазам сети в момент перехода фазного напряжения третьей фазы через ноль, а затем подключение третьей фазной первичной обмотки силового трансформатора к третьей фазе сети в момент перехода линейного напряжения двух предыдущих фаз через ноль.

После подключения третьей фазной первичной обмотки силового трансформатора к сети и достижения токами силового трансформатора установившихся значений вентильный преобразователь шунтируется механическими контактами автомата или контактора (см. статью «Способы и устройства для включения и отключения трехфазных нагрузок» в журнале Электротехнические комплексы и системы управления, Воронеж, 2015, №2, стр. 27, рис. 6.). Этим действием электронная часть устройства вместе с потерями на тиристорах отсекается от системы электроснабжения.

Однако и это устройство создает определенные сложности при эксплуатации силовых трансформаторов подстанций, обусловленные наличием в устройстве микроэлектронной системы управления, и снижает надежность системы электроснабжения в целом. Особенно этот недостаток проявляет себя применительно к высоковольтным системам электроснабжения в районах крайнего севера с трансформаторными подстанциями открытого исполнения.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение устройства для включения силового трансформатора под нагрузкой и повышение надежности, как устройства, так и системы электроснабжения в целом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве полупроводникового преобразователя применен трехфазный мостовой диодный выпрямитель, в цепь постоянного тока которого включен реактор, а трехфазный контактор выполнен по схеме трехфазного короткозамыкателя, причем зажимы переменного тока трехфазного мостового диодного выпрямителя и зажимы механических контактов трехфазного короткозамыкателя объединены и включены в рассечку звезды первичной обмотки силового трансформатора.

Включение силового трансформатора под нагрузкой производится высоковольтным автоматом, подключающим одни концы первичной обмотки силового трансформатора к сети. Предлагается другие концы первичной обмотки силового трансформатора присоединить к входным зажимам трехфазного мостового диодного выпрямителя, в цепь постоянного тока которого включен реактор.

За счет естественных коммутационных свойств диодов устройство производит регулируемое включение силового трансформатора. Процесс пуска производится с нарастанием тока и напряжения во всех фазах по экспоненциальному закону и опережающей фазой первой гармоники напряжения. После достижения токами в обмотках силового трансформатора установившихся значений, завершают включение трансформатора при помощи трехфазного короткозамыкателя, которым шунтируя входные зажимы выпрямителя, соединяют первичную обмотку силового трансформатора в звезду.

В результате решения поставленной задачи электронная часть устройства будет выполнена не на тиристорах с микроэлектронной системой управления, а на диодах. Это значительно упростит эксплуатацию и ремонт устройства мягкого пуска силового трансформатора под нагрузкой, повысит надежность системы электроснабжения. Упрощается также конструкция устройства, которая не требует специального климатического исполнения и защиты от воздействий электромагнитных и электростатических полей.

Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, его эксплуатации и ремонта, повышении надежности пускового устройства и системы электроснабжения в целом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема устройства для включения силового трансформатора, а на фиг. 2 осциллограммы трехфазных напряжений u₁ (а), токов i₁ (в) на первичной обмотке силового трансформатора и мгновенных значений ввыпрямленного напряжения u_d и тока i_d реактора (с), полученных на математической модели в среде MatLab при включении силового трансформатора под нагрузкой.

В состав устройства для включения силового трансформатора (фиг. 1) входят следующие элементы: 1 - трехфазная сеть; 2 - трансформаторная подстанция с RL - нагрузкой; 3 - сетевой автоматический выключатель; 4 - силовой трансформатор; 5 - трехфазный мостовой диодный выпрямитель; 6 - реактор; 7 - механические контакты трехфазного короткозамыкателя.

Элементы устройства соединены следующим образом. Одни концы первичной обмотки силового трансформатора 4 через автоматический выключатель 3 подключены к трехфазной сети 1, а ее другие концы непосредственно подключены к зажимам механических контактов 7 трехфазного короткозамыкателя и к зажимам переменного тока трехфазного мостового диодного выпрямителя 5, в цепь постоянного тока которого включен реактору 6.

Численными экспериментами в среде MatLab показано, что за счет естественных коммутационных свойств диодов устройство производит плавное симметричное включение силового трансформатора 4 с завершением процесса нарастания фазных токов и напряжений на его первичной обмотке (фиг. 2) до установившихся значений за несколько периодов сетевого напряжения. Интенсивность процесса пуска силового трансформатора 4 задается индуктивностью реактора 6. На фиг. 2 приведены напряжения и токи на элементах устройства в относительных единицах.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При включении автоматического выключателя 3 первичная обмотка силового трансформатора 4 подключаются к трехфазной сети 1 через трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5 с реактором 6 в цепи постоянного тока.

Одновременно с преобразованием напряжения происходит изменение токов в первичных и вторичных фазных обмотках силового трансформатора 4 и в сети 1. Токи из трапецеидальной формы затем также постепенно принимают синусоидальную (фиг. 2).

После достижения токами силового трансформатора 4 установившихся значений механическими контактами 7 трехфазного короткозамыкателя шунтируют трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5. Этой операцией устройство завершает процесс безударного включения силового трансформатора 4, обеспечивая синусоидальный ток в его обмотках и сети. Кроме этого, шунтируя диодный выпрямитель, устройство выводит его из системы электроснабжения, сохраняя высокую эксплуатационную надежность. Наконец, выпрямитель 5 с закороченными контактами 7 входными зажимами, создает через диоды замкнутый контур для гашения электромагнитной энергии, накопленной в реакторе 6 на сопротивление этого контура, и производит подготовку устройства к новому включения силового трансформатора 4.

Таким образом, устройство для включения трехфазного силового трансформатора можно охарактеризовать как гибридный электронно-электрический аппарат, который на начальной стадии со сравнительно высоким быстродействием формирует процесс мягкого включения силового трансформатора электронным аппаратом, а на завершающей стадии электрическим аппаратом шунтирует трехфазный мостовой диодный выпрямитель, отсекая вместе с потерями электронную часть устройства от схемы системы электроснабжения.

Из осциллограмм видно, что быстродействие процесса включения силового трансформатора составляет порядка десятой доли секунды, а в стационарном режиме работы силового трансформатора (на заданном при численном эксперименте рабочем интервале времени от 0,02 до 0,12 секунды) ток сети имеет синусоидальную форму.

Применение предлагаемого устройства позволяет снизить пусковой ток примерно в 2 раза (фиг. 2). Это в свою очередь пропорционально квадрату тока уменьшит соответственно в 4 раза электродинамические усилия, действующие на обмотки силового трансформатора, и пусковые потери в линии электропередачи.

Областью применения предлагаемого устройства являются ТП в сетях промышленного электроснабжения. Наибольший эффект можно ожидать применительно к трансформаторным подстанциям открытого исполнения.

Данный электронно-электрический аппарат наиболее простой и надежный в следствии того, что у него отсутствует микроэлектронная система управления. Он может заменить известные электронно-электрические аппараты для включения силовых трансформаторов.