Стабилизация напряжения на подстанциях: Проблемы и пути решения нормализации и стабилизации напряжения в электрических сетях России

устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции — патент РФ 2159004

Предложено устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжении на высокой стороне главного трансформатора подстанции. Отличительной особенностью устройства является то, что напряжение вольтодобавки, формируемое выпрямителем и инверторами, регулируется в шести поддиапазонах, причем в каждом поддиапазоне амплитудное регулирование производится в функции отклонения напряжения сети, а пофазное широтно-импульсное регулирование в функции отклонения фазных напряжений на первичной обмотке главного трансформатора. Стабилизатор с указанным смешанным регулированием и симметрированием напряжения питания главного трансформатора обеспечивает высокие коэффициенты мощности и полезного действия подстанции и улучшенную форму напряжения нагрузки, что является техническим результатом. 2 ил.

Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

Устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции со схемой соединения первичных и вторичных фазных обмоток главного трансформатора У/Ун и их выводами, предназначенными соответственно для подключения сети и нагрузки, содержащее трехфазный вольтодобавочный агрегат, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с вторичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазными выходами двух трехфазных инверторов напряжения со 180-градусным алгоритмом управления, входы которых соединены параллельно и через фильтр и трехфазный реверсивный выпрямитель подключены к нагрузке, при этом для двух трехфазных инверторов напряжения применена общая система управления, которая выполнена трехканальной с возможностью регулирования фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора напряжения на угол и второго трехфазного инвертора напряжения на угол = — при изменении внутри полупериода сетевого напряжения, а ее синхронизирующие входы через блок синхронизации подключены к нагрузке, отличающееся тем, что в устройство введен блок датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и ограничитель нижнего заданного уровня напряжения, при этом система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением минимальных и максимальных значений углов управления и на 10 — 15^o и управляющие входы ее фазных каналов подключены к соответствующим фазным выходам блока датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, управляющий вход системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем через ограничитель нижнего заданного уровня напряжения подключен к выходу датчика модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и, кроме того, первичные фазные обмотки трехфазного вольтодобавочного агрегата и главного трансформатора подстанции соединены пофазно последовательно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано для стабилизации и симметрирования напряжения на высокой стороне трансформатора понижающей подстанции. Известен стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции [Патент РФ N 2070732, кл. 6 G 05 F 1/30, 20.12.96., Бюл. N 35 — прототип], который предназначен для установки на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержит трехфазный вольтодобавочный агрегат, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с первичными фазными обмотками, включенными в цепь нагрузки, и вторичными фазными обмотками, включенные между выходными зажимами двух трехфазных инверторов напряжения, входные зажимы которых объединены и через фильтр и трехфазный реверсивный выпрямитель подключены к нагрузке. В результате встречного симметричного управления инверторами формируется добавочное напряжение, которое регулируется без искажений фазы по косинусоидальному закону. Добавочное напряжение формируется вычитанием уменьшенных в коэффициент трансформации k_ВТ раз напряжений первого и второго трехфазных инверторов, которые регулируются по фазе соответственно на углы и = — при изменении от 0 до рад в функции отклонения напряжения нагрузки. При этом угол управления трехфазным реверсивным выпрямителем имеет два фиксированных значения, необходимых для обеспечения однополярного максимально возможного выпрямленного напряжения в выпрямительном и инверторном режимах для потребления дополнительной энергии из сети и рекуперации избыточной энергии нагрузки в сеть соответственно при прибавлении и вычитании добавочного напряжения, сформированного трехфазными инверторами напряжения из выпрямленного стабилизированного напряжения нагрузки. Замечательным свойством устройства является то, что переключение для перевода трехфазного реверсивного выпрямителя в инверторный режим производится при отключении трехфазных инверторов напряжения от фильтра, когда в заданной зоне равенства напряжений сети и нагрузки трехфазные инверторы напряжения, работая с равными углами управления ( = = /2) закорачивают вторичную обмотку вольтодобавочного агрегата. Система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена трехканальной. Управляющие входы ее фазных каналов объединены и подключены к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а их синхронизирующие входы пофазно подключены к вторичной обмотке главного трансформатора. Каждый фазный канал системы управления трехфазными инверторами напряжения имеет два выхода. Один из этих выходов предназначен для подключения к тиристорам соответствующей фазы первого, а другой для подключения к тиристорам той же фазы второго трехфазного инвертора напряжения. В системе управления трехфазными инверторами напряжения не предусмотрены ограничения минимального и максимального значений углов управления. Они регулируются на интервале всего полупериода сетевого напряжения. Известный стабилизатор обладая улучшенными массогабаритными показателями и, благодаря симметричному управлению, регулируется выходное напряжение без сдвига первой гармоники с высоким быстродействием. Однако ему свойственны и недостатки, среди которых можно выделить сравнительно большие искажения выходного напряжения и низкие энергетические показатели главного трансформатора, особенно при несимметричном повышенном напряжении сети. Эти недостатки вызваны как связями элементов устройства, так и особенностями построения системы управления. Во-первых, устройство предназначено для включения на низкой стороне подстанции мощностью 0.1- 10 МВА, и вследствие того, что главный трансформатор этих подстанций имеет схему включения обмоток Y/Y_Н, ему приходится работать на трехфазную нагрузку с нулевым проводом, обеспечивая двухзонное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения с частотой модуляции добавочного напряжения, равной частоте коммутации тиристоров трехфазных инверторов напряжения и глубиной модуляции напряжения нагрузки, равной коэффициенту трансформации или диапазону регулирования, что сопряжено с большими искажениями (коэффициент гармоник при 10,15, и 20- процентном регулировании соответственно изменяется в пределах (0,03-0,05), (0,035-0,085) и (0,045-0,12)). Во-вторых, причиной неудовлетворительного гармонического состава выходного напряжения стабилизатора является отсутствие амплитудного регулирования, компенсирующего отклонения входного напряжения. В третьих, в стабилизаторе отсутствует ограничение минимального и максимального углов управления и = — трехфазными инверторами напряжения, и в результате этого создаются неоправданные дополнительные искажения при изменении в пределах 0-15^o и 165-180^o, когда регулирование действующего значения первой гармоники добавочного напряжения по cos практически отсутствует, а коэффициент гармоник выходного напряжения

имеет наибольшее значение. Наконец, отсутствие регулирования и симметрирования напряжения на входе главного трансформатора не позволяет ему в условиях нестабильного напряжения сети и изменяющейся нагрузки работать с высокими коэффициентами мощности и полезного действия. Задачей изобретения является улучшение качества выходного напряжения и энергетических показателей главного трансформатора. Технический эффект от решения поставленной задачи заключается в разделении каждой из двух зон регулирования на три поддиапазона с возможностью амплитудного и широтно-импульсного регулирования в каждом поддиапазоне. При таком регулировании максимальный коэффициент гармоник выходного напряжения, например при 20-процентных отклонениях входного напряжения, не превышает значения, установленного ГОСТом и равен 4% против 12% в прототипе. При этом коэффициент энергетической эффективности главного трансформатора подстанции, равный произведению коэффициентов мощности и полезного действия в зависимости от интенсивности изменения нагрузки, а также величины отклонения и степени не симметрии напряжения сети по среднестатистическим оценкам улучшается примерно на 10-20%. Требуемый технический эффект обусловлен тем, что в устройство введен блок датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и ограничитель нижнего заданного уровня напряжения, при этом система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением минимальных и максимальных значений углов управления и на (1015) град и управляющие входы ее фазных каналов подключены к соответствующим фазным выходам блока датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, управляющий вход системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем через ограничитель нижнего заданного уровня напряжения подключен к выходу датчика модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и, кроме того, первичные фазные обмотки трехфазного вольтодобавочного агрегата и главного трансформатора подстанции соединены пофазно последовательно. Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг.2 — диаграмма компенсации нестабильности и несимметрии напряжения на высокой стороне главного трансформатора подстанции. Устройство (фиг. 1) содержит главный трансформатор 1 с первичными 2 и вторичными 3 фазными обмотками, трехфазный вольтодобавочный агрегат 4, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с первичными 5 и вторичными 6 фазными обмотками, два трехфазных инвертора напряжения 7 и 8 со 180-градусным алгоритмом управления и с общей для них системой управления 9, содержащей три фазных канала 10, 11 и 12 управления, трехфазный реверсивный выпрямитель 13 с системой управления 14, индуктивно-емкостный фильтр 15, блок датчиков 16 отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик 17 модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети, ограничитель 18 нижнего заданного уровня напряжения, сеть 19 и нагрузку 20. Элементы схемы соединены следующим образом. Первичные обмотки 2 главного трансформатора 1 соединены в звезду с изолированной нетралью и пофазно подключены к сети 19 через соответствующие фазные первичные обмотки 5 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4. Вторичные обмотки 3 главного трансформатора 1 соединены в звезду с нулевым проводом и подключены к нагрузке 20, а начала и концы вторичных фазных обмоток 6 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4 пофазно подключены соответственно к выходам первого и второго трехфазных инверторов 7 и 8 напряжения, входы которых объединены и через индуктивно-емкостный фильтр 15 и трехфазный реверсивный выпрямитель 13 подключены к нагрузке 20. Выход датчика 17 модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети 19 через ограничитель 18 нижнего заданного уровня напряжения подключен к управляющему входу системы управления 14 трехфазным реверсивным выпрямителем 13. Выходы блока 16 датчиков отклонения первичных фазных напряжений главного трансформатора пофазно подключены к управляющим входам каналов 10,11 и 12 системы управления 9 трехфазными инверторами напряжения 7 и 8, синхронизирующие входы каналов 10, 11 и 12 подключены к нагрузке 20, первые выходы фазных каналов 10, 11 и 12 с управляющими импульсами, регулируемыми на угол подключены к фазным тиристорам первого трехфазного инвертора напряжения 7, а вторые выходы фазных каналов 10, 11 и 12 с фазой импульсов = — подключены к фазным тиристорам второго трехфазного инвертора напряжения 8. Устройство работает следующим образом. Трехфазный реверсивный выпрямитель 13 выпрямляет стабилизированное напряжение нагрузки 20 и в области больших значений отклонения напряжения сети 19 регулирует выпрямленное напряжение в функции этого отклонения от максимально возможного уровня U_d0 до минимально заданного уровня, составляющего примерно (20-30)% от U_d0. Первый и второй трехфазные инверторы напряжения 7 и 8 со 180-градусным управлением преобразуют выпрямленное напряжение в регулируемые по фазе переменные напряжения с векторами первых гармоник, например фазы А, соответственно

и

где U₂ — действующее значение фазного напряжения нагрузки, _A , _A = — углы управления тиристорами, относящимися к фазе А первого и второго трехфазных инверторов напряжения; E(_V) — степень регулирования напряжения от угла управления _V тиристорами трехфазного реверсивного выпрямителя. Разность напряжений U»_fA и U»»_fA прикладывается к соответствующей фазе вторичной обмотки 6 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4 и на той же фазе его первичной обмотки 5 наводится увеличенное в k_ВТ раз напряжение U_fA, которое определяется выражением
(1)
где F(_V) — коэффициент передачи напряжения, k_ВТ — коэффициент трансформации трехфазного вольтодобавочного агрегата. Аналогично определяются напряжения фаз В и С:
U_fB = aF(_V)cos_B; (2)
U_fC = (1-a)F(_V)cos_C; (3)
где a = e^(-j2/3) — оператор поворота. Из выражения (1), (2) и (3) видно, что при изменении фазных углов управления _A , _B и _C от 15 до 165 градусов напряжения U_FA, U_FB и U_FC регулируются по величине вверх и вниз без искажения фазы. Напряжения фазные первичных обмоток 2 главного трансформатора 1 при соединении их в звезду с изолированной нетралью и подключении к двум последовательно соединенным трехфазным источникам питания с результирующими фазными напряжениями
U_A = U_1A+U_FA, U_B = U_1B+U_FB, U_C = U_1C+U_FC,
определяются выражениями:
U»_1A = (2U_A-U_B-U_C)/3;
U»_1B = (2U_B-U_C-U_A)/3, (4)
U»_1C = (2U_C-U_A-U_B)/3. В соответствии с выражениями (1) — (4) процесс стабилизации и симметрирования напряжения питания главного трансформатора 1 изображен векторными диаграммами, приведенными на фиг.2. Здесь показано суммирование несимметричной трехфазной системы напряжений сети с антинесимметричной системой добавочных напряжений, в результате которого получена симметричная трехфазная система напряжений первичной обмотки 2 главного трансформатора 1. Из выражений (1)- (4) видно, что регулирование напряжения на первичной стороне главного трансформатора производится с междуфазным обменом энергии. Переходя от векторных величин к мгновенным и учитывая коммутационные процессы, можно наблюдать улучшение формы напряжения как от междуфазного обмена энергией, обеспечивающего шестизонное широтно-импульсное регулирование без сдвига фазы питающих главный трансформатор 1 напряжений, так и от снижения выпрямленного напряжения. Фазные напряжения на выходе подстанции с учетом падения напряжения на трансформаторах

где k_1Т — коэффициент трансформации главного трансформатора;
— суммарное сопротивление короткого замыкания главного и вольтодобавочного трансформаторов; I_2A, I_2B, I_2C — векторы первых гармоник фазных токов нагрузки. При отклонении выходных напряжений от заданного уровня, вызванного изменением токов нагрузки или напряжения сети, происходит изменение сигналов на выходах блока 16 датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора 1. Эти сигналы, поступая на управляющие входы фазных каналов 10, 11 и 12 системы управления 9 трехфазными инверторами напряжения 7 и 8, воздействуют на фазные углы _A, _B, _C управления трехфазными инверторами напряжения и широтно-импульсным способом обеспечивают регулирование взаимно связанных напряжений U»_1A, U»_1B, U»_1C первичной обмотки 2 главного трансформатора 1, устраняя отклонения напряжения на нагрузке 20. Канал шестизонного широтно-импульсного регулирования трехфазными инверторами напряжения реагирует на отклонения напряжения сети. Поэтому, при совместном действии в устройстве двух каналов, производится быстрая стабилизация напряжения подстанции с последующей коррекцией формы выходного напряжения. Пофазная стабилизация напряжения требует формирования положительных и отрицательных добавочных фазных напряжений, создавая двухсторонний обмен энергии между сетью и нагрузкой через звено постоянного напряжения. При этом по знаку тока через фильтр трехфазный реверсивный выпрямитель 13 переводится соответственно из выпрямительного в инверторный режим. При реконструкции существующих подстанций тиристорный преобразователь может быть установлен как в отдельном помещении, так и в непосредственной близости с главным трансформатором. На вновь проектируемых подстанциях вольтодобавочный трансформатор и силовую часть тиристорного преобразователя можно рационально разместить в одном корпусе с главным трансформатором. Наиболее целесообразной областью применения являются трансформаторные подстанции мощностью до 10 MBА. Источники информации
1. Патент РФ N 2070732, кл. 6 G 05 F 1/30, 20.12.96, Бюл. N 35 — прототип. 2. А.С. СССР N 322836, кл. Н 02 М 5/02, 1970 — аналог. 3. А.С. СССР N 1636832, кл. G 05 F 1/30, 1991 — аналог.

Стабилизатор трехфазного синусоидального напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций с улучшенным коэффициентом мощности

Предлагается устройство для стабилизации напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций объектов промышленности, агропромышленного комплекса, в состав потребителей которых входят электронагреватели для отопления помещений, нагрева воды и т.п.

Стабилизатор трехфазного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого одними выводами подключена к трехфазному ключу, а другими к вторичной обмотке одного из силовых трансформаторов. Первичные обмотки всех силовых трансформаторов подстанций подключены к сети через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора. К зажимам трехфазного ключа подключен дополнительный нагреватель, который дополняет работу основных нагревателей, имеющихся у потребителей трансформаторных подстанций. Параллельно дополнительному нагревателю подключен блок фильтро-компенсирующих конденсаторов.

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для стабилизации напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций пром- и агропромпредприятий, предусматривающих подключение термоэлектронагревателей для нагрева воды, отопления помещений, применение термовентиляционных установок, в частности для систем микроклимата, а также объектов пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара.

Известно устройство для стабилизации напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций предприятия (патент РФ 2178232, 7 Н02М 5/257, G05F 1/30, 2002, Бюл. 1. — с.413.), которое взято за прототип.

Стабилизатор трехфазного синусоидального напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций с улучшенным коэффициентом, в состав потребителей которых входит основной электронагревательный элемент, содержащий вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого одними выводами подключена к дополнительному электронагревательному элементу и к трехфазному ключу с системой управления, при этом вход системы управления подключен к выходу датчика отклонения напряжения, а трехфазный ключ представляет собой трехфазный диодный мост, в диагональ которого включен транзистор.

Задачей изобретения является повышение коэффициентов мощности и полезного действия силовых трансформаторов подстанций предприятия, сохранение синусоидальности форм напряжения и тока у потребителей и в сети в процессе импульсного регулирования добавочного напряжения на входе трансформаторных подстанций.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения на входе трансформаторных подстанций и снижении потребляемого из сети тока.

Решение поставленной задачи достигается тем, что первичные обмотки силовых трансформаторов подстанций подключены к сети через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, вход датчика отклонения напряжения подключен к вторичной обмотке силового трансформатора основной подстанции, а основной электронагревательный элемент и другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к вторичной обмотке силового трансформатора другой подстанции.

Устройство для стабилизации напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций предприятия представлено на фиг.1. Оно содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, вольтодобавочный трансформатор 2, трехфазный ключ 3 с системой управления 4, датчик отклонения напряжения 5 нагрузки, электронагреватель 6 с основным 7 и дополнительным 8 элементами, блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 9, сеть 10, нагрузку 11, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, силовой трансформатор 12 другой наименее загруженной подстанции с нагрузкой 13, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Первичные обмотки силового и вольтодобавочного трансформаторов 1 и 2 соединены последовательно и подключены к сети 10. Вторичная обмотка силового трансформатора 1 соединена в звезду с нулевым проводом и подключена к нагрузке 10, в состав которой входят наиболее критичные к качеству напряжению потребители. Вход датчика 5 отклонения напряжения нагрузки подключен к нагрузке 11, а его выход к управляющему входу системы управления 4 трехфазным ключом 3. Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 12 другой наименее загруженной подстанции, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители, названные нагрузкой 13, в состав которой входит электронагреватель 6 с основным элементом 7, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к трехфазному ключу 3 и к дополнительному элементу 8 электронагревателя 6. В зависимости от типа применяемого в устройстве трехфазного ключа 3, система управления 4 может быть асинхронной или синхронизированной с сетью. Параллельно дополнительному элементу 8 подключен блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 9. Первичные обмотки силовых трансформаторов всех подстанций предприятия соединены параллельно.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

При пониженном напряжении в сети 10 трехфазный ключ 3 включен и вольтодобавочный трансформатор 2 повышает напряжение на входе силового трансформатора 1 и на нагрузке 11 до заданного уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 ЭДС, синфазную с напряжением нагрузки 11. В режиме полной вольтодобавки дополнительный элемент 8 электронагревателя 6 закорочен открытым тиристорным ключом 3 и обесточен, т.е. вспомогательный электронагреватель отключен.

При повышении напряжения в сети 10 устройство уменьшает длительность проводящего состояния трехфазного ключа 3 внутри каждого полупериода напряжения нагрузки. При этом происходит изменение величины и фазы основного магнитного потока вольтодобавочного трансформатора 2 и на его первичной обмотке наводится противофазная по отношению к напряжению сети ЭДС, сохраняющая тем самым напряжение на нагрузке 11. При этом на интервалах запертого состояния трехфазного ключа 3 в работу вступает дополнительный элемент 8 электронагревателя 6.

Величина сопротивления дополнительного нагревательного элемента 8 выбирается из условия обеспечения нижнего предела стабилизации, при котором трехфазный тиристорный ключ 3 полностью выключен. Дополнительный нагревательный элемент 8 в режиме полного вольтовычета устраняет дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 2 и выполняет роль защиты трехфазного тиристорного ключа 3 от перенапряжений.

Наиболее рациональной областью применения являются молокозаводы, мясокомбинаты с двух- и трехтрансформаторными подстанциями, в производстве которых используются импортные автоматические линии, требующие высокого качества питающего напряжения, а в технологическом процессе используются нагревательные элементы для производства горячей воды и пара.

Стабилизатор трехфазного синусои

Система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для стабилизации напряжения питания потребителей трансформаторных подстанций промышленных и агропромышленных предприятий, предусматривающих подключение электронагревателей для дополнительного обогрева помещений, нагрева воды и т.п., а также объектов мясомолочной и пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара.

Известна система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций (патент РФ №2178232, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2002, Бюл. №1.).

Она предназначена индивидуально для каждой подстанции и содержит силовой и вольтодобавочный трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к сети, трехфазный ключ, подключающий вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора к выходным зажимам трансформаторной подстанции или к зажимам нагрузки, основной электронагреватель, входящий в состав нагрузки, и дополнительный электронагреватель, шунтированный трехфазным ключом, выполненным, например, в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор. При полностью включенном и при полностью выключенном трехфазном ключе устройство, работая в режимах полной вольтодобавки и полной вольтоотбавки, обеспечивает на входе подстанции и у потребителей синусоидальное напряжение. При изменении длительности проводящего состояния трехфазного ключа устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения на входе трансформаторной подстанции и у потребителей вверх и вниз относительно номинального значения за счет плавного изменения величины и смены знака магнитного потока вольтодобавочного трансформатора, работающего в режиме двойного питания. Такое реостатно-импульсное регулирование между двумя уровнями синусоидального напряжения сопровождается искажениями напряжения и тока, причем наибольшие искажения возникают при номинальных значениях напряжения сети и тока нагрузки.

К недостаткам устройства следует отнести низкую энергетическую эффективность системы энергоснабжения (на подстанциях, в сети и у потребителей предприятия), характеризуемую произведением коэффициентов мощности и полезного действия. Это вызвано сравнительно большими искажениями напряжения на входе подстанций и у потребителей, искажениями тока в трансформаторном оборудовании и в сети.

Известна система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций (заявка на изобретение RU 2013124566 А от 08.05.13, дата публ. 10.12.2014, БИ №34, патент РФ №2540421, Н02М 5/25), которая взята за прототип.

Она в отличие от предыдущего аналога включается на входе группы трансформаторных подстанций предприятия, содержит два трехфазных ключа, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор и систему управления. Такое устройство при двухподдиапазонном реостатно-импульсном регулировании обеспечивает три уровня синусоидального напряжения на входе подстанции и их потребителей электроэнергии и по сравнению с предыдущим аналогом снижает в два раза искажения выходного напряжения и входного тока. Искажения на промежуточном уровне при номинальном напряжении сети и номинальном токе нагрузки отсутствуют вследствие того, что один ключ полностью выключен, а другой полностью включен.

Однако и этой автоматической системе свойственны недостатки, среди которых, прежде всего, следует выделить возникновение искажений выходного напряжения и входного тока при отклонениях напряжения от номинального уровня, что снижает энергетическую эффективность системы энергоснабжения. Кроме этого к недостаткам следует отнести сложность системы управления и ее настройки для поочередного регулирования напряжения первым и вторым ключами.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения предприятия за счет полного устранения искажений напряжения и тока в режимах вольтодобавки и вольтоотбавки, повышение коэффициентов мощности и полезного действия силовых трансформаторов подстанций предприятия, рациональное использование энергии потерь вольтодобавочного трансформатора, сохранение синусоидальности форм напряжения и тока у потребителей и в сети в процессе импульсного регулирования добавочного напряжения на входе трансформаторных подстанций при помощи простой в эксплуатации и настройке системы управления.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения на входе трансформаторных подстанций и у потребителей, устранения искажений и уменьшения величины токов в трансформаторах и тока, потребляемого системой из сети, а также реализации двухподдиапазонного регулирования простой системой управления.

Решение поставленной задачи достигается тем, что введен блок конденсаторов фильтра, подключенных пофазно параллельно к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, блок фильтро-компенсирующих конденсаторов, подключенных к нагрузке силового трансформатора дополнительной подстанции и блок компенсирующих конденсаторов, подключенных к сети, а в состав системы управления введены два компаратора и два сумматора, одни входы первого и второго сумматоров соответственно подключены к положительному и отрицательному выходам двухполярного источника напряжения смещения, а другие входы сумматоров объединены и подключены к выходу высокочастотного генератора треугольного напряжения, при этом величина напряжения смещения двухполярного источника задается не меньше амплитуды треугольного напряжения высокочастотного генератора, одни входы первого и второго компараторов соответственно подключены к выходам первого и второго сумматоров, а другие входы компараторов объединены и через интегратор подключены к выходу датчика отклонения напряжения и кроме этого выходы первого и второго компараторов соответственно подключены к входам первого и второго выходных каскадов системы управления.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемому к нему чертежом, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Она содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, силовой трансформатор 2 дополнительной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, первый 3 и второй 4 трехфазные ключи с системой управления 5, в состав которой входит высокочастотный генератор треугольного напряжения 6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый и второй компараторы 9 и 10, двухполярный источник напряжения смещения 11, интегратор 12, первый и второй выходные каскады 13 и 14 системы управления. Также в состав устройства входит датчик отклонения напряжения 15 нагрузки, вольтодобавочный трансформатор 16, основной 17 и дополнительный 18 электронагреватели, сеть 19, нагрузка 20 основной подстанции, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, нагрузка 21 дополнительной подстанции, имеющая менее критичные к качеству напряжения потребители, блок конденсаторов фильтра 22, блок компенсирующих конденсаторов 23 и блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 24.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Первичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 2 соединены параллельно и через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к сети 19. Вторичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 2 соединены в звезду с нулевым проводом и подключены к нагрузкам 20 и 21. В системе управления 5 входы первого и второго сумматоров 7 и 8 соответственно подключены к положительному и отрицательному выходам двухполярного источника напряжения смещения 11, а другие входы сумматоров объединены и подключены к выходу высокочастотного генератора треугольного напряжения 6, одни входы первого и второго компараторов 9 и 10 соответственно подключены к выходам первого и второго сумматоров 7 и 8, а другие входы компараторов объединены и через интегратор 12 подключены к выходу датчика отклонения напряжения 15, вход которого подключен к нагрузке 20 основной подстанции. Выходы первого и второго компараторов 9 и 10 через первый и второй выходные каскады 13 и 14 подключены к первому 3 и второму 4 трехфазным ключам.

Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 2 дополнительной подстанции с нагрузкой 21, в состав которой входит основной электронагреватель 17, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к первому трехфазному ключу 3 и к дополнительному электронагревателю 18, выполненному из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ 4. В зависимости от типа применяемых в устройстве трехфазных ключей 3 и 4, а также частоты их коммутации, система управления 5 может быть асинхронной или синхронизированной с сетью. Блок конденсаторов фильтра 22 пофазно параллельно подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 16, блок компенсирующих конденсаторов 23 подключен к сети, а блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 24 подключен к нагрузке силового трансформатора 2 дополнительной подстанции.

Подготовка устройства к работе заключается в изучении системы электроснабжения предприятия и, с учетом его особенностей, в выборе параметров стабилизатора и настройке следующих уровней напряжения:

— Максимальная вольтодобавка задается коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора 16 и при минимальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Уровень максимальной вольтодобавки задается при непрерывно включенном первом трехфазном ключе 3.

— Промежуточный (номинальный) уровень напряжения или область допустимого отклонения напряжения системы задается сопротивлением первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 18 и характеризуется тем, что при номинальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Он задается при полностью выключенном первом трехфазном ключе 3 и непрерывно включенном втором трехфазном ключе 4 при напряжении смещения в системе управления не меньше амплитуды треугольного напряжения. Задавая напряжение смещения больше амплитуды треугольного напряжения, создается зона нечувствительности системы автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения, которая настраивается на допустимые пределы отклонения напряжения.

— Максимальная вольтоотбавка задается суммарным сопротивлением первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 18 и при максимальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия.

Уровень максимальной вольтоотбавки задается при полностью выключенных первом и втором трехфазных ключах 3 и 4.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Положительное и отрицательное напряжение смещения U см с двухполярного источника напряжения смещения 11 складывается с высокочастотным треугольным напряжением при помощи сумматоров 7 и 8, при этом величина напряжения смещения задается не меньше амплитуды переменного треугольного напряжения высокочастотного генератора, создавая тем самым два треугольных напряжения — положительное и отрицательное.

На первом компараторе 9 положительное треугольное напряжение, а на втором компараторе 10 отрицательное треугольное напряжение сравниваются с общим напряжением управления Uупр, которое через интегратор 12 подается с выхода датчика отклонения напряжения 15. На выходах первого и второго однополярных компараторов 9 и 10 формируются широкие однополярные импульсы управления, которые через выходные каскады с усилителями мощности и элементами гальванической развязки подаются соответственно на первый и второй трехфазные ключи 3 и 4.

При максимально пониженном напряжении в сети 19 с выхода датчика отклонения напряжения 15 подается через интегратор 12 максимальное положительное напряжение управления, и система управления 5 подает непрерывные управляющие импульсы на первый и второй трехфазные ключи 3 и 4, включается только первый ключ 3 и вольтодобавочный трансформатор 16 повышает напряжение на входе силовых трансформаторов 1, 2 и на нагрузках 20, 21 до заданного, например номинального, уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 16 ЭДС, синфазную с напряжением нагрузки 21. В этом режиме дополнительный электронагреватель 18, его элементы и второй трехфазный ключ 4 закорочены первым трехфазным ключом 3 и обесточены, т.е. отключены.

При повышении напряжения в сети 19 от максимально пониженного до номинального устройство уменьшает длительность проводящего состояния первого трехфазного ключа 3 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз включается второй трехфазный ключ 4, вводя в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 сопротивление первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 18. При этом реостатно-импульсном регулировании происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки в первом поддиапазоне от максимального до промежуточного уровня при напряжении смещения, равном амплитуде треугольного напряжения или до области допустимых отклонений напряжения, при напряжении смещения больше амплитуды треугольного напряжения.

При дальнейшем повышении напряжения в сети 19 от номинального до максимально повышенного уровня, напряжение управления Uупр, подаваемое на компараторы, изменяется от нуля до максимально отрицательного значения, и устройство, при выключенном первом трехфазном ключе 3, уменьшает длительность проводящего состояния второго трехфазного ключа 4 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз вводит в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 суммарное сопротивление первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 18. Таким образом, в цепи вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 с частотой коммутации чередуется включение то одного, то двух сопротивлений. При этом происходит плавное уменьшение напряжения на нагрузке от максимального до номинального уровня.

Дополнительный нагревательный элемент 18 в режиме полной вольто-отбавки устраняет дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 16 и выполняет роль защиты трехфазных ключей 3 и 4 от перенапряжений.

Следует также отметить, что снижение токов в трансформаторах, тока потребления системой и улучшение жесткости внешней характеристики устройства достигается за счет совместного действия блока компенсирующих конденсаторов 23 и блока фильтро-компенсирующих конденсаторов 24. Кроме этого устранение искажений токов в трансформаторах и искажений тока потребляемого из сети достигается за счет совместного действия блока фильтро-компенсирующих конденсаторов 24 и блока конденсаторов фильтра 22. И, наконец, сохранение синусоидальности формы напряжения во всем диапазоне автоматической стабилизации трехфазного напряжения трансформаторных подстанций достигается за счет действия блока конденсаторов фильтра 22, а разделение в устройстве этого диапазона на два поддиапазона, расположенных между тремя уровнями синусоидального напряжения, позволяет облегчить ему выполнение этой функции.

Наиболее рациональной областью применения являются молокозаводы, мясокомбинаты с двух- и трехтрансформаторными подстанциями, в производстве которых используются импортные автоматические линии, требующие высокого качества питающего напряжения, а в технологическом процессе используются нагревательные элементы для производства горячей воды и пара.

Устройство может также найти применение на птицефабриках, молочно-товарных фермах, в энергосистемах поселков леспромхозов, на предприятиях по производству безалкогольных напитков.

Система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций предприятия, в состав потребителей которого входит основной электронагреватель, содержащий вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого одними выводами подключена к сети, а другими — к первичным обмоткам всех силовых трансформаторов подстанций предприятия, вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора одними выводами подключена к дополнительному электронагревателю и к первому трехфазному ключу, а другими — к вторичной обмотке силового трансформатора дополнительной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, к которой также подключен основной электронагреватель, при этом дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ, причем в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от основного электронагревателя или от электронагревателя другого недалеко расположенного предприятия, управляющие входы первого и второго трехфазных ключей подключены к выходам соответственно первого и второго выходных каскадов системы управления, а вход датчика отклонения напряжения подключен к вторичной обмотке силового трансформатора основной подстанции, отличающаяся тем, что введен блок конденсаторов фильтра, подключенных пофазно параллельно к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, блок фильтро-компенсирующих конденсаторов, подключенных к нагрузке силового трансформатора дополнительной подстанции и блок компенсирующих конденсаторов, подключенных к сети, а в состав системы управления введены два компаратора и два сумматора, одни входы первого и второго сумматоров соответственно подключены к положительному и отрицательному выходам двухполярного источника напряжения смещения, а другие входы сумматоров объединены и подключены к выходу высокочастотного генератора треугольного напряжения, при этом величина напряжения смещения двухполярного источника задается не меньше амплитуды треугольного напряжения высокочастотного генератора, одни входы первого и второго компараторов соответственно подключены к выходам первого и второго сумматоров, а другие входы компараторов объединены и через интегратор подключены к выходу датчика отклонения напряжения и кроме этого выходы первого и второго компараторов соответственно подключены к входам первого и второго выходных каскадов системы управления.

Стабилизаторы напряжения: классификация, схемы, параметры, достоинства

Параметры стабилизаторов напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации K_ст, выходное сопротивление R_вых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения K_ст= [ ∆u_вх/ u_вх] / [ ∆u_вых/ u_вых]

где u_вх, u_вых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u_вх — изменение напряжения u_вх; ∆u_вых — изменение напряжения u_вых, соответствующее изменению напряжения ∆u_вх.

Таким образом, коэффициент стабилизации — это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K_ст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением R_вых= | ∆u_вых/ ∆i_вых|

где ∆u_вых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆i_вых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R_вых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η_ст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Р_вх: η_ст = Р_н / Р_вх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения u_э (на ∆u_э), а значит, и входного напряжения u_вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆u_вых.

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆u_вых.

 Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆u_вх (на схеме пунктир): R_вых= r_д|| R₀≈ r_д, т.к. R₀>> r_д η_ст = ( u_вых· I_н) / ( u_вх· I_вх) = ( u_вых· I_н) / [ u_вх( I_н + I_вх) ].

K_ст= ( ∆u_вх/ u_вх) : ( ∆u_вых/ u_вых) Так как обычно R_н>> r_д Следовательно, K_ст≈ u_вых / u_вх· [ ( r_д+ R₀) / r_д]

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

 В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление R_б, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а).
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем.
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

u_R3= u_ст, т.е. i_R3· R₃= u_ст

u_R2 = u_R3 – u_вых

i_R2 = − i_R3 = − u_ст/ R₃

Подставляя выражение для i_R2 в предыдущее уравнение, получим − u_ст/ R₃· R₂= u_ст – u_вых. Следовательно, u_вых = u_ст· ( 1 + R₂/ R₃)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение u_ст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85.
Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R₁ — для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор напряжения (рис. 2.86).
Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t_вкл / t_выкл, где t_вкл, t_выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

77. Регулирование напряжения в эл.Сетях.

Потребление
мощности в ЭС изменяется в течение
времени, различным режимам работы
потребителей соответствуют разные
потоки мощности и, следовательно, разные
потери напряжения. В режиме наибольших
нагрузок сеть сильно загружена и потери
напряжения в ее элементах большие. В
норм. режимах потери напряжения меньше,
а в режиме наименьших нагрузок м.б.
совсем незначительными. Отклонение
напряжения в узлах сети обычно определяется
в процентах относительно номинального
напряжения сети:

Наибольшие
отклонения напряжения у потребителей
обычно происходят в аварийных режимах
— при отключениях линий и выходе из
работы крупного оборудования (генераторов,
транс­форматоров).

Различают
цент­рализованное и локальное
регулирования
напряжения.При централизованном
-напряжение изменяют в центре питания
(ЦП), к-рыми могут быть шины электростанции,
а также шины среднего или низкого
напряжения понижающей подстанции.
Локальное
регулирование
используют в питающих и распред. сетях
для отдельных групп потребителей или
эл.приемников (групповое регулирование).
Иногда регули­рование выполняют для
отдельного электроприемника
(индиви­дуальное регулирование).

Регулирование
напряжения в электрических сетях
выполняет­ся по одному из 3-х принципов:

• стабилизация
напряжения;• стабилизация по заданному
графику напряжения;• встречное
(согласное) регулирование.В соответствии
с принципом
стабилизации
напряжение на ши­нах нагрузки
поддерживается всегда на заданном
уровне (рис. 5.3, а). Регулирование по
заданному графику предусматривает
стабилиза­цию разных заданных значений
напряжений на различных вре­менных
интервалах. График напряжения явл-ся
ступенчатым:в часы утреннего и вечернего
максимумов напряжение поддерживается
выше, чем в остальные часы суток (рис
5.3, б).Принципы стабилизации использ-тся
при регулировании напряжения на
эл.станциях и в спец.случаях — для
индивидуального регулирования напряжения
у некоторых электро­приемников.

Принцип встречного
регулирования
устанавливает значение напряжения на
шинах НН понижающих подстанций в
зависи­мости от тока нагрузки. Согласно
ПУЭ на шинах ЦП 6…20 кВ должно обеспечиваться
встречное регулирование напряжения,
при к-ром напряжение ЦП увеличивается
по мере роста нагрузки. В часы максимальной
нагрузки напряжение поддерживается на
5…10% выше номинально­го, а в часы
мини-маль­ных нагрузок не выше
номинального значения. График напряжения
на шинах ЦП по форме повторяет график
токовой нагрузки (см. рис. 5.3, в).К средствам
регулирования напряже­ния относятся
регуляторы напряжения на электростанциях,
регулирующие устрой­ства на понижающих
трансформаторах, специальные регулировочные
трансфор­маторы и КУ; можно отнести
и системы отключения (включения) части
парал-лельно работающих элементов
электрической сети.

РЕГУЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХРабочее
напряжение на генераторах может
изменяться в пре­делах от 0,95Uг._HOM
до 1,05Uг.ном.
Например, при U
г._H0M
= 10,5 кВ его рабочее напряжение из­меняется
в пределах от 10 до 11 кВ.Регулирование
напряжения на шинах электрической
станции производится с помощью
автоматического регулятора возбуждения
(АРВ) синхронных гене­раторов.

РЕГУЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОНИЖАЮЩИХ ПОДСТАНЦИЯХ

Для регулирования
напряжения на трансформаторах понижаю­щих
подстанций устанавливают специальное
устройство- регуля­тор под нагрузкой
(РПН), представляющее собой автоматическое
устройство, меняющее рабочее ответвление
витков обмотки транс­форматора и
коэф-т трансформации транс­форматора.
Устройство устанавливают в трансформаторах
напря­жением 35 кВ и выше и размещают
в нейтрали обмотки ВН. Это позволяет:1)
иметь наиболее плавное регулирование,
так как число витков у обмотки ВН больше,
чем у НН; 2)
при переключениях выполнять коммутацию
меньших по вели­чине токов, чем на
стороне НН;3)
значительно снижать требования к уровню
изоляции устройства регулирования
включением РПН в за­земленную нейтраль
на ВН.Рассмотренное
устройство РПН называют
встроенным.Трансформаторы городских
и сельских электрических сетей напряжением
ниже 35 кВ снабжаются устройством
переключения без возбуждения (ПБВ), т.е.
с возможностью переключения от­ветв-лений
только при снятом напряжении. Трансформаторы
с ПБВ имеют основное ответвление с
номинальным напряжением и 4 ступени
регулирования по 2,5%, т.е. дополнительные
ответвления с изменением напряжения
относительно его номи­нального
значения на +5; +2,5; -2,5 и -5 (±2×2,5)%. Ответвления
этих трансф-ров переключаются либо при
изменении схемы электроснабжения, либо
при переходе от сезонных максимальных
нагрузок к минимальным и наоборот.
Устройство ПБВ является встроенным
устройством ре­гулирования.Уменьшение
коэф.транс-ции приводит к увеличениюU
на шинах НН, а уве­личение — к его
уменьшению.

РЕГУЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕРЬ
НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ

Компенсация
реактивной мощности нагрузки

Рассмотрим схему
замещения ЛЭП без емкостных элементов
(рис. 5.15). Это допустимо, если нас интересует
лишь величина потери напряжения в линии.
Анализ векторной диаграммы показал,
что изменение реактивной мощности в
конце линии существенно влияет на
величину напряжений в линии.

Падение напряжения
в линии можно выразить через веще­ственную
и мнимую составляющие:

Из последнего
выражения (5.16) также видно, что с
уменьше­нием реактивной составляющей
тока увеличиваются оба слага­емых в
подкоренном выражении, а следовательно,
напряжение U2
возрастает.

Изменение
сопротивления электрической сетиВ
ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения,
а также в трансформаторах индуктивное
сопротивление намного превышает активное
сопротивление и поэтому оказывает
большее влияние на потери напряжения.
Если изменить реактивное сопротивление
сети, то в некоторых случаях можно
улучшить условия регулиро­вания
напряжения у потребителей.Одним
из способов уменьшения индуктивного
сопротивления
линии является продольная компенсация
— последовательное включение в рассечку
линии конденсаторов
(рис. 5.18). Батарея конденсаторов с
устройством переключения называется
устрой­ством продольной компенсации
(УПК).

РЕГУЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
МЕТОДОМ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО УЗЛА

Здесь используют
подход, основанный на минимизации
ущерба, наносимого потребителю при
отклонении напряжения от номинального
значения. Напряжение на понижающей
подстан­ции регулируется таким
образом, чтобы обеспечить потребителям
сети с наибольшей потребляемой энергией
напряжение, близкое к номинальному. С
этой целью строят специальную модель
экви­валентного сопротивления сети
(рис. 5.20), за которым в узле ре­гулируется
напряжение по специально полученному
закону.Данный подход к регулированию
напряжения, как и встречное регулирование,
является согласным (токовой нагрузке
шин НН), однако выбор диапазона
регулирования осуществляется иначе.
Узел, в котором регулируется напряжение,
называется ха­рактеристическим. Он
является модельным образованием и не
существует в действительности.На
подстанции, где размещено устройство
РПН, располагают только информацией о
напряжении (U),
активной (Р) и реактив­ной (Q)
составляющих мощности нагрузки и токе.
Модель эквив.сопротивления, по которому
протекает ток(рис5.21) соотв-ет отдаваемой
в сеть мощности.

Стабилизатор напряжения — это… Что такое Стабилизатор напряжения?

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Стабилизаторы постоянного тока

Микросхема линейного стабилизатора КР1170ЕН8

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности P_расс = (U_in — U_out) * I_t рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

• Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
• Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

• Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
• Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_L. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора R_V применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

U_out = U_z — U_be.

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину U_be, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость U_be от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что U_be в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения U_out, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя^[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора R_V применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (т.е. опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (G_openloop = 10⁵ ÷ 10⁶).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

• Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
• Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
• Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
• Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Стабилизаторы переменного напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

• электродинамические сервоприводные (механические)
• статические (электронные переключаемые)
• релейные
• компенсационные (электронные плавные)

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12…18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В.^{[источник не указан 943 дня]}

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 1% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (1%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора работать на заявленной мощности во всем диапазоне входного напряжения, но далеко не все стабилизаторы соответствуют этому параметру. Некоторые стабилизаторы выдерживают десятикратные перегрузки, при покупке такого стабилизатора запас по мощности не требуется.

См. также

Литература

• Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — 128 с.
• В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.
• Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3
• Штильман В. И. Микроэлектронные стабилизаторы напряжения. — Киев: Технiка, 1976.

Ссылки

Примечания

Перечень компонентов электрической подстанции

— схема, работа и функции

Электроподстанция — это сеть электрического оборудования, которое структурировано подключено для снабжения электроэнергией конечных потребителей. Существует множество компонентов электрических подстанций , таких как исходящие и входящие цепи, каждый из которых имеет автоматические выключатели, изоляторы, трансформаторы, систему сборных шин и т. Д. Для бесперебойного функционирования системы. Энергосистема имеет множество компонентов, таких как системы распределения, передачи и генерации, а подстанции действуют как необходимый компонент для работы энергосистемы.Подстанции — это объекты, от которых потребители получают электроэнергию для работы своих нагрузок, в то время как требуемое качество электроэнергии может быть доставлено потребителям путем изменения частоты и уровней напряжения и т. Д.

Конструкции электрических подстанций полностью зависят от потребности, например, одиночная шина или комплексная шинная система и т. д. Более того, конструкция также зависит от области применения, например, внутренние подстанции, генерирующие подстанции, передающие подстанции, полюсные подстанции, наружные подстанции, преобразовательные подстанции и коммутационные подстанции и т. д. .Коллекторная подстанция также необходима в случае крупных энергосистем, например, несколько тепловых и гидроэлектростанций, соединенных вместе для передачи энергии к одному блоку передачи от множества расположенных рядом турбин.

Ниже приведены основных электрических компонентов подстанций и их рабочие . Функции каждого компонента подробно описаны с оборудованием, схема компонентов подстанции также приведена выше для справки.

Список оборудования электрических подстанций:

1. Измерительные трансформаторы
2. Трансформатор тока
3. Трансформатор потенциала
4. Проводники
5. Изоляторы
6. Изоляторы
7. Сборные шины
8. Грозовые разрядники
9. Автоматические выключатели
10. Реле
11. Конденсатор 900 Аккумуляторы
12. WaveTrapper
13. SwitchYard
14. Приборы для измерения и индикации
15. Оборудование для несущего тока
16. Предотвращение скачков напряжения
17. Исходящие фидеры

Измерительные трансформаторы:

Приборный трансформатор представляет собой статическое устройство. для снижения более высоких токов и напряжений для безопасного и практического использования, которые можно измерить с помощью традиционных инструментов, таких как цифровой мультиметр и т. д.Диапазон значений составляет от 1 А до 5 А и напряжения, такие как 110 В и т. Д. Трансформаторы также используются для срабатывания защитного реле переменного тока посредством поддерживающего напряжения и тока. Измерительные трансформаторы показаны на рисунке ниже, и два их типа также обсуждаются ниже.

Измерительные трансформаторы

Трансформатор тока:

Трансформатор тока — это устройство, используемое для преобразования более высоких значений тока в более низкие значения.Он используется аналогично приборам переменного тока, устройствам управления и измерителям. Они имеют более низкие номинальные токи и используются для обслуживания и установки реле тока с целью защиты на подстанциях.

Трансформатор тока

Трансформатор потенциала:

Трансформаторы напряжения аналогичны по характеристикам трансформаторам тока, но используются для преобразования высокого напряжения в более низкое для защиты релейной системы и для измерения измерений напряжения с более низким номиналом.

Трансформатор потенциала

Проводники:

Проводники — это материалы, которые пропускают через них поток электронов. Лучшими проводниками являются медь, алюминий и т. Д. Проводники используются для передачи энергии с места на место по подстанциям.

Изоляторы:

Изоляторы — это материалы, не пропускающие через них поток электронов. Изоляторы сопротивляются электрическим свойствам.Существует множество типов изоляторов, таких как изоляторы с дужкой, деформационного типа, подвесного типа, паразитного типа и т. Д. Изоляторы используются на подстанциях для предотвращения контакта с людьми или короткого замыкания.

Изолятор

Изоляторы:

Изоляторы на подстанциях представляют собой механические выключатели, которые используются для изоляции цепей при прерывании тока. Они также известны под названием отключенных переключателей, работающих в условиях холостого хода, и не имеют устройств для гашения дуги.Эти переключатели не имеют определенного значения отключения по току, равно как и значения включения по току. Это переключатели с механическим управлением.

Изолятор

Сборные шины:

Сборные шины являются одними из наиболее важных элементов подстанции и являются проводником, по которому ток проходит в точку, имеющую многочисленные соединения с ней. Сборная шина — это своего рода электрический переход, который имеет пути отходящего и входящего тока. Всякий раз, когда в сборной шине возникает неисправность, все компоненты, подключенные к этой конкретной секции, должны отключаться для обеспечения полной изоляции за короткое время, например, 60 мсек, чтобы избежать повышения опасности из-за нагрева проводника.Они бывают разных типов, таких как кольцевая шина, двойная шина, одиночная шина и т. Д. На рисунке ниже показана простая шина, которая считается одним из наиболее важных компонентов электрической подстанции .

Сборная шина на подстанции

Грозозащитные разрядники:

Молниеотводы можно рассматривать как первые компоненты подстанции. Они выполняют функцию защиты оборудования подстанции от высоких напряжений, а также ограничивают амплитуду и продолжительность протекания тока.Они соединены между землей и линией, т.е. подключены к оборудованию на подстанции. Они предназначены для отвода тока на землю в случае возникновения скачков тока, защищая изоляцию, а также проводник от повреждений. Они бывают разных типов и различаются по обязанностям.

Молниезащитный разрядник

Автоматические выключатели:

Автоматические выключатели — это переключатели такого типа, которые используются для замыкания или размыкания цепей в момент возникновения неисправности в системе.Автоматический выключатель имеет 2 подвижных контакта, которые в нормальных условиях находятся в выключенном состоянии. В то время, когда в системе возникает какая-либо неисправность, реле отправляет команду отключения на автоматический выключатель, который раздвигает контакты, тем самым предотвращая любое повреждение схемы.

Автоматический выключатель на подстанции

Реле:

Реле являются специальным компонентом электрического оборудования подстанции для защиты системы от нештатных ситуаций e.г. неисправности. Реле в основном представляют собой устройства обнаружения, которые предназначены для обнаружения неисправностей и определяют их местоположение, а также отправляют сообщение о прерывании сработавшей команды в конкретную точку цепи. Автоматический выключатель разваливает свои контакты после получения команды с реле. Они защищают оборудование от других повреждений, таких как пожар, опасность для жизни человека и устранение неисправности в определенной секции подстанции. Ниже приводится схема компонентов подстанции, известная как реле.

Реле

Конденсаторные батареи:

Конденсаторная батарея определяется как набор из множества идентичных конденсаторов, которые соединены параллельно или последовательно внутри корпуса и используются для коррекции коэффициента мощности, а также защита схем подстанции. Они действуют как источник реактивной мощности и, таким образом, уменьшают разность фаз между током и напряжением. Они увеличивают мощность пульсаций тока питания и позволяют избежать нежелательных явлений в системе подстанции.Использование конденсаторных батарей — это экономичный метод поддержания коэффициента мощности и решения проблем, связанных с задержкой мощности.

Конденсаторная батарея на подстанции

Батареи:

Некоторые важные части подстанции , такие как аварийное освещение, релейная система и схемы автоматического управления, работают от батарей. Размер аккумуляторной батареи зависит от напряжения, необходимого для работы цепи постоянного тока соответственно.Аккумуляторы бывают двух основных типов: кислотно-щелочные батареи и свинцово-кислотные батареи. Свинцово-кислотные батареи являются наиболее распространенным типом и широко используются на подстанциях, поскольку они обеспечивают высокое напряжение и дешевле по стоимости.

Аккумуляторы подстанции

Улавливатель волн:

Улавливатель волн является одним из компонентов подстанции , который размещается на входящих линиях для улавливания высокочастотных волн. Высокочастотные волны, исходящие от близлежащих подстанций или других мест, нарушают ток и напряжение, поэтому их улавливание имеет большое значение.Волновой ловушка в основном отключает высокочастотные волны, а затем направляет их на телекоммуникационную панель.

Улавливатель волн на подстанции

Распределительное устройство:

Распределительные устройства, переключатели, автоматические выключатели и трансформаторы для подключения и отключения трансформаторов и автоматических выключателей. У них также есть разрядники для защиты подстанции или электростанции от ударов естественного освещения.

SwitchYard

Приборы для измерения и индикации:

На каждой подстанции имеется множество приборов для измерения и индикации, таких как ваттметры, вольтметры, амперметры, измерители коэффициента мощности, киловатт-счетчики, вольт-амперметры, и КВАРХ метров и др.Эти приборы устанавливаются в разных местах подстанции для контроля и поддержания значений тока и напряжения. Например, оборудование подстанции 33/11 кВ будет включать цифровые мультиметры для различных показаний токов и напряжений.

Оборудование для несущего тока:

Оборудование для несущего тока устанавливается на подстанции с целью связи, диспетчерского управления, телеметрии и / или ретрансляции и т. Д.Такое оборудование часто устанавливается в помещении, известном как несущее помещение, и подключается к силовой цепи высокого напряжения.

Предотвращение скачков напряжения:

Переходные процессы системы подстанции перенапряжения связаны с внутренними и естественными характеристиками. Существует несколько причин перенапряжений, которые могут быть вызваны внезапным изменением условий в системе, например: отказ нагрузки, неисправности, переключение и т. д. или из-за освещения и т. д.Типы перенапряжений можно разделить на два: генерируемые при переключении или генерируемые молнией. Однако масштаб перенапряжений может превышать максимально допустимые уровни напряжения, поэтому их необходимо защитить и уменьшить, чтобы избежать повреждения приборов, оборудования и линий подстанции. Таким образом можно повысить производительность системы подстанции.

Исходящие фидеры:

Имеется множество отходящих фидеров, которые связаны с фидерами подстанций.В основном это соединение с шиной подстанции для передачи энергии от подстанции к точкам обслуживания. Фидеры могут охватывать надземные улицы, подземные части, подземные улицы и передавать электроэнергию на распределительные трансформаторы в близлежащих или удаленных помещениях. Изолятор на подстанции и выключатель фидера считаются элементами подстанции и обычно имеют металлическую оболочку. Всякий раз, когда в фидере происходит сбой, срабатывает защита и размыкает автоматический выключатель.После обнаружения неисправности в ручном или автоматическом режиме существует несколько попыток повторного включения питания фидера.

Элементы подстанции

Изображение предоставлено: Kiddle

Элементы подстанции A: Сторона первичных линий электропередачи B: Сторона вторичных линий электропередачи

1. Первичные линии электропередач
2. Провод заземления
3. Воздушные линии
4. Трансформатор для измерения электрического напряжения
5. Выключатель
6. Автоматический выключатель
7. Трансформатор тока
8. Грозозащитный разрядник
9. Главный трансформатор
10. Здание управления
11. Ограждение безопасности
12. Вторичные линии электропередач

Хотя вышесказанное некоторые стандартные компоненты, которые присутствуют в электрических подстанциях, в зависимости от типа подстанции и их функционирования компоненты электрической подстанции могут незначительно изменяться.Кроме того, с развитием технологий многие компоненты постоянно обновляются, чтобы соответствовать последним достижениям для обеспечения постоянной выходной мощности.

.

Заземление подстанции — изделия для медного заземления подстанций среднего и высокого напряжения

Опубликовано 5 декабря 2017 г.

Изображения: ABB

  от Chris Dodds T&D - расчетное время чтения 6 минут

  

Подстанция заземления

Thorne & Derrick International являются дистрибьюторами линейки систем заземления и молниезащиты ABB Furse и AN Wallis — это включает заземляющих стержней , заземляющих шин , заземляющих лент и полный набор вспомогательных принадлежностей для включения полная система заземления для систем передачи и распределения электроэнергии.

Медные изделия обычно используются для заземления электрических подстанций в сетях среднего и высокого напряжения, содержащих электрическую инфраструктуру, кабели, распределительные устройства и трансформаторы. Кроме того, обычно все открытые и обычно не находящиеся под напряжением металлические конструкции внутри периметра подстанции, включая двери, лестницы, вентиляционные каналы, кабельные опоры и т. Д., Должны быть прикреплены к основной сети заземления, чтобы избежать разницы потенциалов между различными элементами металлоконструкций.

Руководства и политики различаются в зависимости от оператора распределительной сети — специализированные подрядчики, использующие современные методы заземления, соответствующие соответствующим британским и международным стандартам, включая BS 7430: 2011 + A1: 2015 Свод правил заземления и IEEE80-2000 Руководство по безопасности на подстанциях переменного тока. Заземление следует использовать для расчета конкретных требований к заземлению подстанции.

Окончательный проект системы заземления может быть выполнен только при наличии достаточных знаний о предлагаемых физических и электрических требованиях подстанции — как абсолютный минимум проектировщик системы заземления должен знать:

• значение тока короткого замыкания и устройства питания (воздушный и / или подземный кабель)
• продолжительность неисправности (или уставки защиты)
• удельное сопротивление грунта
• габариты подстанции

Спецификация для стационарных систем заземления на подстанциях сверхвысокого напряжения, высокого напряжения, высокого / среднего и низкого напряжения также применяется к оконечным опорам, прилегающим к подстанциям, и герметизирующим соединениям кабелей, установленным на столбах трансформаторам или установкам с воздушным выключателем-разъединителем и установленным на столбах реклоузерам с уровнем земли. контроль.

➡ Ознакомьтесь с полным ассортиментом продукции для заземления подстанций , включая зажимы заземления подстанций и воздушных линий, телескопические стержни и переносные комплекты заземления — см. Также Экзотермическая сварка .

Доступен полный спектр лент с неизолированной медью, печатными и покрытыми землей

Изделия для медного заземления

Пример — Заземление ПС 11кВ. Изображение: SPE Electrical Ltd

Для подстанций среднего и высокого напряжения

Продукция и системы заземления могут быть поставлены компанией T&D для всех напряжений подстанции:

• MV Среднее напряжение 11 кВ 33 кВ
• Высокое напряжение 66 кВ 132 кВ
• Сверхвысокое напряжение сверхвысокого напряжения 275 кВ 400 кВ

T&D обеспечивает квалифицированную техническую поддержку, конкурентоспособные цены и поставку со склада для проектов заземления подстанций — все заземляющие изделия доступны в соответствии с критериями проектирования и конструктивными спецификациями систем заземления для подстанций и оборудования для подстанций 33 кВ и 132 кВ.

Сюда входят медных лент заземления с типичными размерами 32 мм x 4, 40 мм x 6 мм, 50 мм x 4 мм и 50 мм x 6 мм.

Что касается заземления высокого напряжения в секторе электроэнергетики, то следующие элементы обычно заземляются или соединяются с основной заземляющей сетью:

• Конструкции оконечных устройств воздушных линий, включая башни, порталы и конструкции с заземленными деревянными опорами, прилегающие к подстанции
• Оболочки и броня силовых кабелей
• Блоки трансформаторов и реакторов, охладители и радиаторы, переключатели ответвлений, заземляющие резисторы, заземляющие реакторы, соединения нейтрали трансформатора высокого напряжения
• КРУЭ в сборе и корпусе в металлическом корпусе, изоляторы и основания для заземления
• Металлические порталы, конструкции и металлоконструкции на деревянных конструкциях
• Металлические конструкции, включая стальные каркасы (скрепленные по углам), арматуру и сваи
• Панели, шкафы, киоски, низковольтное оборудование переменного тока, мачты освещения и безопасности

Критические элементы, такие как баки трансформаторов среднего / высокого напряжения и опоры терминалов, обычно имеют дублирующие подключения к основной сети заземления.

Подстанции 11кВ

На изображении выше представлена ​​схема, показывающая типичную компоновку электрической подстанции из стеклопластика с высоким напряжением, распределяющей мощность 11 кВ — показано внешнее кольцо из медного заземляющего проводника площадью 70 кв. макет бетонной арматуры. Здесь высоковольтная подстанция заключена в корпус из стеклопластика с потенциальным риском прикосновения и скачком напряжения.

Ленты заземления доступны с отметками о собственности DNO Великобритании, чтобы предотвратить кражу медного металла. Также доступны ленты заземления с надписью «National Grid Property».

Полный ассортимент заземляющих стержней из медной проволоки. , муфты и приводные шпильки доступны для заземления сети и первичной подстанции в зависимости от рассчитанного уровня повреждения.

• E — заземляющий электрод (медный заземляющий стержень)
• UE — Повышение потенциала Земли (EPR)
• S1, S2, S3 — Заземляющие электроды с выравниванием потенциала, подключенные к заземляющему электроду E
• US Touch — Источник напряжения для прикосновения (Touch Voltage)
• US Step — Источник напряжения для шага (Step Voltage)

Напряжение прикосновения

Потенциал на поверхности почвы рядом с медным заземляющим стержнем во время протекания тока короткого замыкания.Если человек прикоснется к стержню (или любым открытым металлическим изделиям, связанным с ним), то разность потенциалов между руками и ногами называется напряжением прикосновения. Напряжение прикосновения рассчитывается исходя из предположения, что ступни человека находятся на расстоянии 1 метра от металлических конструкций, к которым прикасаются. Напряжение прикосновения обычно снижается с помощью электродов для выравнивания потенциала.

Напряжение ступени

Разности потенциалов устанавливаются на поверхности почвы при протекании тока повреждения.Ступенчатое напряжение в определенном направлении определяется как разность потенциалов между двумя точками на измерительной части. Ступенчатые потенциалы можно уменьшить, используя медные электроды для выравнивания потенциала или установочные электроды, такие как медные заземляющие стержни , на большей глубине почвы.

Передаточный потенциал

Повышение потенциала системы заземления , вызванное током, протекающим на землю, передаваемым посредством подключенного проводника (например, металлической оболочки или трубы), который входит в зону подстанции, с небольшим повышением потенциала относительно эталонной земли или без него и который не подключен к земле в этой области.Это приводит к возникновению разности потенциалов между проводником и его окружением в удаленном месте.

Электробезопасность — Обслуживание и ремонт систем заземления

Системы заземления подстанций являются жертвой эксплуатационных и преднамеренных повреждений — воровство меди является обычным явлением, а работы по техническому обслуживанию заземления часто выявляются во время обычных проверок и инспекций на объекте. Замыкания на землю могут происходить еженедельно на первичных подстанциях, питающих протяженные высоковольтные сети сельских воздушных линий.Во время этих работ по техническому обслуживанию существует серьезный риск травмы или даже смертельного удара электрическим током при работе с истощенными или поврежденными системами заземления — специальным оборудованием для электробезопасности, включая изолированные стержни , столбы или стержни , переносные заземляющие провода , зажимы заземления (подстанции или конец линии), изолирующая обувь (туфли или сапоги) и изолирующие перчатки в зависимости от класса напряжения системы заземления подстанции.

T&D распространяет полный спектр оборудования CATU для электробезопасности, включая комплекты дуговой вспышки, изоляционные ботинки и защитную обувь, а также датчики напряжения

Заземление подстанции высокого напряжения 275 кВ

Все изображения любезно предоставлены: Ян Форстер (менеджер сайта EHV)

Другие приложения для заземления подстанции

Фиг.1 3 медных кабеля заземления, подключенных к основной алюминиевой заземляющей ленте подстанции
Рис.2 Медная заземляющая лента, подключенная к основной алюминиевой заземляющей ленте
Рис.3 Соединение алюминия с алюминиевой лентой

Для получения дополнительной информации и технических подробностей см. Продукты заземления ниже.

Дополнительная литература

.