RU2337451C1 - Method of ac three-phase voltage power transmission and system for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to the field of transmission and distribution of electric power and may be used for limitation of short circuit current value in mains and load, and also in systems of AC power supply sources redundancy. According to the method, in transmitting substation three-phase AC voltage is transformed into two three-phase voltage systems with unidirectional opposite currents, and power is transmitted through six-wire distribution network, at the end of which reverse transformation of voltage is carried out back into three-phase AC voltage by summation of magnet flows in magnetic conductor of three-phase transformer with split primary windings.

EFFECT: reduction of short circuit current value, reduction of loss in mains with reduction of requirements to breakers on their disconnecting capability, reduction of total section of supply current conductors, reduction of material expenses.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области передачи и распределения электрической энергии и может быть использовано для ограничения величины токов короткого замыкания (т.к.з.) в питающей сети и нагрузки, а также в системах резервирования источников питания переменного тока.The invention relates to the field of transmission and distribution of electrical energy and can be used to limit the magnitude of short-circuit currents (t.z.) in the supply network and load, as well as in backup systems of AC power sources.

Практическая необходимость в использовании предлагаемого решения заключается в потребности снижения потерь гидроэнергии, облегчения конструкции распределительных устройств (РУ) и, в первую очередь, коммутационной аппаратуры как самой дорогостоящей части РУ, экономии кабельной продукции.The practical need to use the proposed solution lies in the need to reduce the loss of hydropower, to facilitate the design of switchgear (RU) and, above all, switching equipment as the most expensive part of the switchgear, saving cable products.

Увеличение эффективности передачи электрической энергии и снижение ее потерь достигается уменьшением сопротивления токопроводящих элементов системы электропитания, что, в свою очередь, обусловливает наличие больших т.к.з. в аварийных режимах, которое и определяют основную проблему. Именно большие т.к.з. - причина удорожания РУ коммутационной аппаратуры, завышения сечения проводов и кабелей. Известен способ дифференциальной высокочастотной защиты трехфазной линии электропередачи и устройство для его реализации (пат. РФ №2171003, H02H 3/28, опубл. 20.07.2001). Это изобретение касается релейной защиты, как основной, на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. Техническим результатом является повышение чувствительности, надежности и снижение массогабаритных показателей, что достигается за счет использования электромагнитного токового реле с насыщающимся трансформатором тока, через последовательно соединенные первичные обмотки которого пропускают преобразованные трансформаторами тока фаз А, В и С линии. При этом ток фазы В протекает через каждую из первичных обмоток насыщающегося трансформатора тока встречно по контурному протеканию током фаз А и С. Для истечения информации о фазе токов на каждой из сторон линии последовательно в цепь короткозамкнутой обмотки включена первичная обмотка промежуточного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к информационному входу приемопередатчика который преобразует ее в высокочастотный сигнал и передает на приемопередатчик другой стороны линии. При возникновении короткого замыкания в линии сигнал с выхода приемопередатчика, и с выхода исполнительного органа электромагнитного реле обеспечивает замыкание соответствующих замыкающих контактов цепи отключения защиты, с которой подается сигнал на отключение линии.An increase in the efficiency of transmission of electric energy and a decrease in its losses is achieved by reducing the resistance of the conductive elements of the power supply system, which, in turn, leads to the presence of large in emergency conditions, which determine the main problem. It is the big ones. - the reason for the rise in cost of switchgear switchgear, oversized wires and cables. A known method of differential high-frequency protection of a three-phase power line and device for its implementation (US Pat. RF No. 2171003, H02H 3/28, publ. 20.07.2001). This invention relates to relay protection, as the main one, on high and ultra-high voltage power lines. The technical result is to increase the sensitivity, reliability and reduction of overall dimensions, which is achieved through the use of an electromagnetic current relay with a saturable current transformer, through the series-connected primary windings of which the lines A, B and C converted by current transformers pass. In this case, the phase B current flows through each of the primary windings of the saturable current transformer in the opposite direction through the current flow of phases A and C. To expire information on the phase of the currents on each side of the line, the primary winding of the intermediate transformer is connected in series to the short-circuited winding, the secondary winding of which is connected to the information input of the transceiver which converts it into a high-frequency signal and transmits to the transceiver on the other side of the line. In the event of a short circuit in the line, the signal from the output of the transceiver and from the output of the executive body of the electromagnetic relay provides the closure of the corresponding make-up contacts of the protection trip circuit, from which the signal to disconnect the line is supplied.

Однако это решение имеет следующие недостатки:However, this solution has the following disadvantages:

- способ не снижает величину т.к.з., а отключает линию электропередачи, что приводит к перерывам в электропитании потребителей;- the method does not reduce the value of t.z., but turns off the power line, which leads to interruptions in the power supply of consumers;

- используется многоуровневая система измерения и передачи информации, что снижает надежность в целом;- a multi-level system for measuring and transmitting information is used, which reduces reliability in general;

- наличие дополнительных электромеханических контактов, имеющих ограниченные ресурсы работы и снижающие надежность.- the presence of additional electromechanical contacts having limited operating resources and reducing reliability.

В качестве прототипа принят способ передачи электрической энергии трехфазного напряжения на переменном токе (Глазунов А.А. Электрические сети и системы. Госэнергоиздат, М., 1960, с.233-237).As a prototype adopted a method of transmitting electrical energy of a three-phase voltage on alternating current (Glazunov A.A. Electric networks and systems. Gosenergoizdat, M., 1960, p.233-237).

В этом способе на передающей подстанции снижают потери в токоведущих проводах, уменьшая величину тока за счет увеличения напряжения электромагнитным путем при помощи трансформаторного оборудования, затем энергию передают через линию электропередачи, на конце которой производят обратное преобразование - понижают напряжение до величины, определяемой распределительными сетями и потребителями электрической энергии, также электромагнитным путем понижающими трансформаторами.In this method, the losses in current-carrying wires are reduced at the transmission substation, decreasing the current value by increasing the voltage by electromagnetic means using transformer equipment, then the energy is transmitted through the power line, at the end of which the inverse transformation is performed - the voltage is reduced to a value determined by distribution networks and consumers electrical energy, also by electromagnetic step-down transformers.

Недостаток способа - высокие т.к.з., повышенные потери.The disadvantage of this method is high t.z., increased losses.

Система передачи электрической энергии для реализации способа по прототипу (см. там же) приведена на фиг.1 - принципиальная схема. Она содержит передающую подстанцию I, высоковольтный выключатель II, выключатель отходящей линии III, линию электропередачи с трехфазными кабелями, трансформаторную подстанцию IV, распределительную сеть.The electric energy transmission system for implementing the prototype method (see ibid.) Is shown in FIG. 1 — a schematic diagram. It contains a transmission substation I, a high-voltage switch II, a switch of the outgoing line III, a power line with three-phase cables, a transformer substation IV, a distribution network.

Подключение осуществлено трехпроводным кабелем с последовательно установленным токоограничивающим реактором V к трехфазному трансформатору трансформаторной подстанции IV. В настоящее время для целей ограничения т.к.з. в распределительных сетях широко применяют токоограничивающие реакторы. Однако снижая т.к.з. за ними, реакторы увеличивают потери всех видов (электроэнергии, напряжения, мощности), при этом сама проблема больших т.к.з. не решается. Например, при к.з. перед реактором выключатель должен по отключающей способности быть рассчитан на полный т.к.з., и часто этот выключатель является единственным резервирующим защитным аппаратом для нижестоящих при крайне ограниченном ассортименте его выбора. Эта проблема особенно остро стоит для мощных районных РУ, главных РУ ТЭЦ и аналогичных (на таких объектах выключатели уникальны и дорогостоящи). Область применения токоограничивающих реакторов ограничена, и на низком напряжении (до 1000 В) они практически не применяются.The connection was made with a three-wire cable with a series-mounted current-limiting reactor V to a three-phase transformer of transformer substation IV. Currently, for the purposes of limiting in distribution networks, current-limiting reactors are widely used. However, reducing t.z. behind them, reactors increase losses of all kinds (electricity, voltage, power), while the problem itself is large since not solved. For example, when short circuit in front of the reactor, the circuit breaker must be designed for full t.z. in breaking capacity, and often this circuit breaker is the only redundant protective device for subordinates with an extremely limited assortment of its choice. This problem is especially acute for powerful regional switchgear, the main switchgear of CHP plants and similar (at such facilities, circuit breakers are unique and expensive). The scope of current-limiting reactors is limited, and at low voltage (up to 1000 V) they are practically not used.

Большие т.к.з. вместе с нарастающей (по мере приближения к источнику питания) выдержкой времени релейной защиты - главная причина термического действия т.к.з. на все элементы распределительной сети до точки к.з. и, как следствие, выбора вынужденного запаса по сечению проводникового материала, усложнения конструкции элементов сети для выдерживания больших термических нагрузок и динамических усилий. Т.о., недостаток системы для реализации способа - дороговизна, большое суммарное сечение питающих токоведущих проводников, проводов, кабелей, высокие требования к выключателям по отключающей способности.Large t.z. together with the increasing (as we approach the power source) relay protection time delay is the main reason for the thermal effect since to all elements of the distribution network to the short circuit point and, as a result, the choice of a forced margin for the cross-section of the conductor material, the complication of the design of the network elements to withstand large thermal loads and dynamic forces. Thus, the disadvantage of the system for implementing the method is the high cost, the large total cross-section of supplying conductive conductors, wires, cables, high requirements for circuit breakers for breaking capacity.

Недостатки способа и системы устраняются предлагаемым решением.The disadvantages of the method and system are eliminated by the proposed solution.

Решаемая задача - совершенствование известного способа и системы для его реализации в части повышения эффективности первого и удешевления второго.The problem to be solved is the improvement of the known method and system for its implementation in terms of increasing the efficiency of the first and lowering the cost of the second.

Технический результат для способа заключается в снижении т.к.з., уменьшении потерь в питающей сети при снижении в системе требований к выключателям по отключающей способности, уменьшении суммарного сечения питающих токоведущих проводников.The technical result for the method consists in decreasing the short circuit condition, reducing losses in the supply network while reducing the system requirements for circuit breakers in terms of breaking capacity, reducing the total cross section of the supplying current-carrying conductors.

Этот технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии трехфазного напряжения на переменном токе, при котором на передающей подстанции снижают потери в токоведущих проводах, уменьшая величину тока за счет увеличения напряжения электромагнитным путем при помощи трансформаторного оборудования, затем энергию передают через линию электропередачи, на конце которой производят обратное преобразование - понижают напряжение до величины, определяемой распределительными сетями и потребителями электрической энергии, также электромагнитным путем понижающими трансформаторами, на передающей подстанции трехфазное переменное напряжение преобразуют в две трехфазные системы напряжений с однонаправленными встречными токами, передают электроэнергию по шестипроводной распределительной сети, на конце которой осуществляют обратное преобразование напряжения в трехфазное переменное путем суммирования магнитных потоков в магнитопроводе трехфазного трансформатора с расщепленными первичными обмотками; в системе для реализации способа, содержащей передающую подстанцию, высоковольтный выключатель, выключатель отходящей линии, линию электропередачи с трехфазными кабелями, трансформаторную подстанцию, распределительную сеть, между выключателем отходящей линии и трансформаторной подстанцией включены две трехфазные вентильные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, в трансформаторной подстанции установлен понижающий трансформатор с расщепленными первичными обмотками, соединенными по схеме "звезда", нейтрали которых соединены между собой, а вентильные группы соединены двумя трехфазными кабелями с первичными обмотками понижающего трансформатора.This technical result is achieved in that in a method for transmitting electrical energy of a three-phase voltage on alternating current, in which the transmission substation reduces losses in current-carrying wires, reducing the magnitude of the current by increasing the voltage electromagnetically using transformer equipment, then the energy is transmitted through a power line, at the end of which the inverse transformation is performed - they reduce the voltage to a value determined by distribution networks and consumers of electric energy, also using electromagnetic step-down transformers, at a transmitting substation, three-phase alternating voltage is converted into two three-phase voltage systems with unidirectional counter currents, electricity is transmitted through a six-wire distribution network, at the end of which reverse voltage is converted into three-phase alternating current by summing magnetic fluxes in the magnetic core of a three-phase transformer with split primary windings; in a system for implementing a method comprising a transmission substation, a high voltage switch, an outgoing line switch, a power line with three-phase cables, a transformer substation, a distribution network, two three-phase valve groups with mutually opposite directions of electrical conductivity are connected between the outgoing line switch and the transformer substation, in a transformer substation a step-down transformer is installed with split primary windings connected according to the "star" scheme, it rali which are interconnected, a valve group are connected with two three-phase cables down transformer primary windings.

При любом виде к.з. за трансформатором величина его не превышает двухкратного номинального тока нагрузки, а повреждения в кабельной линии сопровождаются нессиметричным режимом работы трансформатора.With any kind of short circuit behind the transformer, its value does not exceed twice the rated load current, and damage in the cable line is accompanied by an asymmetric mode of operation of the transformer.

На фиг.2 приведена структурная схема для реализации способа. Она состоит из передающей подстанции ГПП-1, вводного высоковольтного выключателя ВВ1-2, выключателя отходящей линии ВВ2-3, двух трехфазных вентильных групп (ВГ1, ВГ2)-4 с взаимно противоположными направлениями электропроводности, шестипроводной системы проводников - 5, трансформаторной подстанции (ТП) - 6, оборудованной понижающим трансформатором 7 с расщепленными первичными обмотками, соединенными по схеме "звезда", их нейтрали соединены между собой, а вентильные группы 4 соединены двумя трехфазными кабелями с первичными обмотками понижающего трансформатора.Figure 2 shows the structural diagram for implementing the method. It consists of a transmission substation GPP-1, an input high-voltage switch BB1-2, a switch of the outgoing line BB2-3, two three-phase valve groups (VG1, VG2) -4 with mutually opposite directions of electrical conductivity, a six-wire system of conductors - 5, a transformer substation (TP ) - 6, equipped with a step-down transformer 7 with split primary windings connected by a star circuit, their neutrals are interconnected, and valve groups 4 are connected by two three-phase cables with primary windings of a step-down transformer.

Способ осуществляют следующим путем. Токи каждой питающей сети распределяются по двум расщепленным обмоткам трансформатора на подстанции 6 посредством двух вентильных групп 4. Сумма токов всех высоковольтных обмоток в нейтрали равна нулю, условия электропроводности вентелей определяются фазными напряжениями питающей сети относительно нейтрали трансформатора 7.The method is carried out in the following way. The currents of each supply network are distributed over two split transformer windings at substation 6 through two valve groups 4. The sum of the currents of all high-voltage windings in the neutral is zero, the conduction conditions of the fans are determined by the phase voltages of the supply network relative to the neutral of the transformer 7.

Пример осуществления способа реализуется в соответствии с принципиальной схемой (фиг.3), которая содержит трехфазную питающую сеть А В С, две вентильные группы 4 с вентилями VD1, VD2, VD3 одного направления и вентилями VD4, VD5, VD6-образного направления электропроводности, соединенные с началом соответствующих первичных обмоток W1, W2, и W4, W5, W5 трансформатора 7 (ТП). Высоковольтные обмотки трансформатора 7 соединены по схеме "звезда" с общим нулевым проводом для обеспечения первого закона Кирхгофа в предлагаемой шестипроводной системе электропитания.An example implementation of the method is implemented in accordance with the circuit diagram (Fig. 3), which contains a three-phase supply network A B C, two valve groups 4 with valves VD1, VD2, VD3 of one direction and valves VD4, VD5, VD6-shaped direction of electrical conductivity, connected with the beginning of the corresponding primary windings W1, W2, and W4, W5, W5 of the transformer 7 (TP). The high-voltage windings of the transformer 7 are connected according to the "star" scheme with a common neutral wire to ensure the first Kirchhoff law in the proposed six-wire power supply system.

Токи каждой фазы сети распределяются по двум расщепленным обмоткам W1, W4; W2, W5; W3, W6 посредством двух вентильных групп VD1, VD2, VD3 и VD4, VD5, VD6. Сумма всех высоковольтных обмоток W1-W6 в нейтрали Т равна нулю, условия электропроводности вентилей VD1-VD6 определяются фазными напряжениями питающей сети относительно нейтрали Т трансформатора 7. Каждый из вентилей находится в проводящем состоянии в интервалах 180 электрических градусов в соответствующей сети относительно нейтрали Т первичных обмоток трансформатора 7. Это определяет однонаправленное протекание токов в обмотках W1-W6. Магнитные потоки, создаваемые токами расщепленных обмоток W1-W6, суммируются в магнитопроводе трансформатора 7 и наводят переменные э.д.с. во вторичных обмотках Wа, Wв, Wс.The currents of each phase of the network are distributed over two split windings W1, W4; W2, W5; W3, W6 through two valve groups VD1, VD2, VD3 and VD4, VD5, VD6. The sum of all the high-voltage windings W1-W6 in the neutral T is zero, the conductivity conditions of the valves VD1-VD6 are determined by the phase voltages of the supply network relative to the neutral T of the transformer 7. Each of the valves is conductive in the intervals of 180 electrical degrees in the corresponding network relative to the neutral T of the primary windings transformer 7. This determines the unidirectional flow of currents in the windings W1-W6. The magnetic flux generated by the currents of the split windings W1-W6 are summed in the magnetic circuit of the transformer 7 and induce variable emfs in the secondary windings Wа, Wв, Wс.

При любом виде к.з. за трансформатором величина его не превышает двухкратного номинального тока нагрузки, а повреждения в кабельной линии сопровождаются нессиметричным режимом работы трансформатора со значительно более низкими значениями к.т.з., т.к. их величины ограничены индуктивными сопротивлениями от магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора.With any kind of short circuit behind the transformer, its value does not exceed twice the rated load current, and damage in the cable line is accompanied by an asymmetric mode of operation of the transformer with significantly lower short-circuit values, since their values are limited by inductive resistances from magnetic fluxes of scattering of transformer windings.

Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения достигаются следующие результаты:Thus, when implementing the invention, the following results are achieved:

- существенное снижение величины т.к.з. в любой точке между вентильными группами и нагрузкой и, как следствие, снижение требований к выключателям по отключающей способности,- a significant decrease in t.z. at any point between the valve groups and the load and, as a result, reduced requirements for circuit breakers in terms of breaking capacity,

- удешевление РУ и распределительной подстанции (РП) в целом,- cheapening of switchgear and distribution substation (RP) as a whole,

- уменьшение суммарного сечения питающих токоведущих проводников (проводов, кабелей),- reduction of the total cross section of the supply current-carrying conductors (wires, cables),

- снижение потерь электроэнергии, напряжения и мощности (активной и реактивной составляющих).- reduction of losses of electricity, voltage and power (active and reactive components).

Claims (2)

1. Способ передачи электрической энергии трехфазного напряжения на переменном токе, при котором на передающей подстанции снижают потери в токоведущих проводах, уменьшая величину тока за счет увеличения напряжения электромагнитным путем при помощи трансформаторного оборудования, затем энергию передают через линию электропередачи, на конце которой производят обратное преобразование - понижают напряжение до величины, определяемой распределительными сетями и потребителями электрической энергии, так же электромагнитным путем понижающими трансформаторами, отличающийся тем, что на передающей подстанции трехфазное переменное напряжение преобразуют в две трехфазные системы напряжений с однонаправленными встречными токами, передают электроэнергию по шестипроводной распределительной сети, на конце которой осуществляют обратное преобразование напряжения в трехфазное переменное путем суммирования магнитных потоков в магнитопроводе трехфазного трансформатора с расщепленными первичными обмотками.1. A method of transmitting electric energy of a three-phase voltage on alternating current, in which the losses in current-carrying wires are reduced at a transmitting substation, reducing the amount of current due to an increase in voltage by electromagnetic means using transformer equipment, then the energy is transmitted through a power line, at the end of which reverse conversion is performed - reduce the voltage to a value determined by distribution networks and consumers of electrical energy, also by electromagnetic way lowering transformers, characterized in that at the transmitting substation, the three-phase AC voltage is converted into two three-phase voltage systems with unidirectional counter currents, electricity is transmitted through a six-wire distribution network, at the end of which reverse voltage is converted into a three-phase AC by summing the magnetic fluxes in the magnetic circuit of a three-phase transformer with split primary windings. 2. Система передачи электрической энергии трехфазного напряжения на переменном токе, содержащая передающую подстанцию, высоковольтный выключатель, выключатель отходящей линии, линию электропередачи с трехфазными кабелями, трансформаторную подстанцию, распределительную сеть, отличающаяся тем, что между выключателем отходящей линии и трансформаторной подстанцией включены две трехфазные вентильные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, в трансформаторной подстанции установлен понижающий трансформатор с расщепленными первичными обмотками, соединенными по схеме «звезда», нейтрали которых соединены между собой, причем вентильные группы соединены двумя трехфазными кабелями с первичными обмотками понижающего трансформатора.2. A system for transmitting electric energy of a three-phase voltage on alternating current, comprising a transmission substation, a high voltage switch, an outgoing line switch, a power line with three-phase cables, a transformer substation, a distribution network, characterized in that two three-phase valve valves are connected between the outgoing line switch and the transformer substation groups with mutually opposite directions of electrical conductivity, a step-down transformer is installed in the transformer substation with split primary windings connected according to the "star" scheme, the neutrals of which are interconnected, and the valve groups are connected by two three-phase cables to the primary windings of the step-down transformer.

Images