RU2818292C1 - Device for independent phase-by-phase compensation of reactive power - Google Patents

Abstract

FIELD: electric power industry; electrical engineering.

SUBSTANCE: device for independent phase-by-phase compensation of reactive power includes a housing inside which three single-phase capacity batteries are installed, assembled according to the "star with grounded neutral" scheme and consisting of n number of capacitor stages. In addition, the device contains three current transformers, a three-channel reactive power controller, according to commands of which there is an independent phase-by-phase switching of current-limiting contactors to switch on or off the required number of capacitor stages until a given value of the power factor in the phases is achieved, three time delay sensors for operation of contactors of the corresponding phase with a certain time delay, allowing to adjust from short-term changes in reactive power consumption, three single-phase filtering chokes for protection of capacitors against overload and thermal destruction due to flow of currents of higher harmonics.

EFFECT: reduced losses of electric energy and increased throughput of power supply systems, as well as limitation of switching overvoltage of power transformers, reduction of current in neutral wire of four-wire lines.

4 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для снижения потерь электроэнергии и аварийности систем электроснабжения, а также повышения их пропускной способности, и может быть использовано для независимой пофазной компенсации реактивной мощности несимметричных нагрузок, ограничения коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов, снижения тока в нейтральном проводе низковольтных четырёхпроводных линий электропередач.The invention relates to electric power and electrical engineering, namely to devices designed to reduce electricity losses and accident rates of power supply systems, as well as increase their throughput, and can be used for independent phase-by-phase compensation of reactive power of asymmetrical loads, limiting switching overvoltages of power transformers, reducing current in the neutral wire of low-voltage four-wire power lines.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известно устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности (см. [1] патент РФ на изобретение № 2229766, МПК H02J 3/18, опубл. 27.05.2004), содержащее первый трехфазный выключатель, три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником с тремя внешними зажимами, третьи из которых подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением, отличающееся тем, что в него введены дополнительный трехфазный выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, при этом трехфазные батареи конденсаторов первыми внешними зажимами напрямую, а вторыми внешними зажимами через нормально замкнутые однополюсные выключатели соединены в три общие точки, которые подключены к входам контактов первого и дополнительного трехфазных выключателей, сблокированных от одновременного включения и через контакты первого трехфазного выключателя могут быть подключены к фазам питающей сети, а через контакты дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе, к нулевому проводу питающей сети.A device for balancing and compensation of reactive power is known from the prior art (see [1] RF patent for invention No. 2229766, IPC H02J 3/18, published on May 27, 2004), containing the first three-phase switch, three three-phase capacitor banks with a connection of the capacitors of each delta batteries with three external terminals, the third of which are connected to the phases of the supply network through a second three-phase switch, made with phase-by-phase independent control, characterized in that an additional three-phase switch and three normally closed single-pole switches are introduced into it, while the three-phase capacitor banks are the first external terminals directly, and the second external terminals through normally closed single-pole switches are connected to three common points, which are connected to the inputs of the contacts of the first and additional three-phase switches, blocked from simultaneous activation and through the contacts of the first three-phase switch can be connected to the phases of the supply network, and through the contacts additional three-phase switch, closed to each other at the output, to the neutral wire of the supply network.

Недостатками данного технического решения являются отсутствие системы автоматического управления, сложность регулирования емкости конденсаторных установок из-за наличия большого количества коммутационных аппаратов, отсутствие нерегулируемой ступени конденсаторов, отсутствие защиты от высших гармоник, невозможность снижения тока в нейтральном проводе.The disadvantages of this technical solution are the lack of an automatic control system, the difficulty of regulating the capacitance of capacitor units due to the presence of a large number of switching devices, the absence of an unregulated capacitor stage, the lack of protection against higher harmonics, and the inability to reduce the current in the neutral wire.

Из уровня техники известно устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности (см. [2] патент РФ на изобретение № 2768366, МПК H02J 3/18, опубл. 24.03.2022), содержащее три регулируемые конденсаторные установки, каждая из которых входным зажимом подключена к соответствующей фазе питающей сети, а выходным зажимом подключена к соответствующим входным зажимам первого, нормально разомкнутого, трехфазного выключателя, три выходных зажима которого замкнуты между собой и подключены к нулевому проводу питающей сети, три датчика тока фаз питающей сети и три датчика фазного напряжения питающей сети, выходы которых подключены ко входам блока управления, выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим входам трех регулируемых конденсаторных установок и к управляющему входу первого трехфазного выключателя, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательным нормально замкнутым трехфазным выключателем, сблокированным от одновременного включения с первым трехфазным выключателем, при этом три входных зажима вспомогательного трехфазного выключателя подключены к соответствующим трем общим точкам соединения регулируемых конденсаторных установок и первого трехфазного выключателя, а три выходных зажима вспомогательного трехфазного выключателя соединены с разноименными по отношению к его входным зажимам входными зажимами трех регулируемых конденсаторных установок.A device for balancing and compensation of reactive power is known from the prior art (see [2] RF patent for invention No. 2768366, IPC H02J 3/18, publ. 03.24.2022), containing three adjustable capacitor units, each of which is connected to an input terminal the corresponding phase of the supply network, and the output terminal is connected to the corresponding input terminals of the first, normally open, three-phase switch, three output terminals of which are closed to each other and connected to the neutral wire of the supply network, three phase current sensors of the supply network and three phase voltage sensors of the supply network, the outputs of which are connected to the inputs of the control unit, the outputs of which, in turn, are connected to the control inputs of three adjustable capacitor units and to the control input of the first three-phase switch, characterized in that it is equipped with an auxiliary normally closed three-phase switch, blocked from simultaneous activation with the first three-phase switch, while the three input terminals of the auxiliary three-phase switch are connected to the corresponding three common connection points of the adjustable capacitor units and the first three-phase switch, and the three output terminals of the auxiliary three-phase switch are connected to the input terminals of the three adjustable capacitor units, which are opposite in relation to its input terminals.

Недостатками данного технического решения являются отсутствие защиты от высших гармоник, отсутствие датчиков выдержки времени, отсутствие нерегулируемой ступени конденсаторов, сложность регулирования.The disadvantages of this technical solution are the lack of protection against higher harmonics, the lack of time delay sensors, the lack of an unregulated capacitor stage, and the complexity of regulation.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для пофазной компенсации реактивной мощности (см. [3] патент РФ на изобретение № 2697259, МПК H02J 3/18, опубл. 13.08.2019), содержащее три автоматически регулируемые конденсаторные установки с соединением по схеме звезда с нулевым проводом, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, три регулируемых конденсатора в каждой конденсаторной установке, три трансформатора тока, выводы первичной обмотки которых подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования, три пускателя электромагнитных, подключенные к трем соответствующим регулируемым конденсаторам, отличающееся тем, что в него введены: три нерегулируемые (первые) ступени в конденсаторных установках, мощность, которых рассчитана на постоянную составляющую РМ нагрузки, три независимых блока регулирования, каждый блок регулирования подключается к фазному напряжению соответствующей фазы, к своим соответствующим трансформаторам тока, установленным в каждой фазе сети и регулируемым конденсаторам, три датчика времени срабатывания, подключенные к блокам регулирования и регулируемым конденсаторам.The closest technical solution, taken as a prototype, is a device for phase-by-phase reactive power compensation (see [3] RF patent for invention No. 2697259, IPC H02J 3/18, published 08/13/2019), containing three automatically controlled capacitor units with a connection according to the star circuit with a neutral wire, connected between each phase of the network and the neutral wire, three adjustable capacitors in each capacitor installation, three current transformers, the terminals of the primary winding of which are connected to the corresponding linear wires of the power source and load of the three-phase network, and the terminals of the secondary winding are connected to inputs of the corresponding control unit, three electromagnetic starters connected to three corresponding adjustable capacitors, characterized in that it contains: three unregulated (first) stages in capacitor units, the power of which is designed for the constant component of the PM load, three independent control units, each the control unit is connected to the phase voltage of the corresponding phase, to its corresponding current transformers installed in each phase of the network and adjustable capacitors, three response time sensors connected to the control units and adjustable capacitors.

Недостатками прототипа являются отсутствие защиты от высших гармоник, большое число регуляторов.The disadvantages of the prototype are the lack of protection against higher harmonics and a large number of regulators.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей заявленного изобретения является независимая пофазная компенсация реактивной мощности несимметричных нагрузок, ограничение коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов 6(10)/0,4 кВ, снижение тока в нейтральном проводе трёхфазных четырёх- и пятипроводных линий электропередач систем электроснабжения низкого напряжения с несимметричной и нелинейной нагрузкой.The objective of the claimed invention is independent phase-by-phase compensation of reactive power of asymmetrical loads, limitation of switching overvoltages of 6(10)/0.4 kV power transformers, reduction of current in the neutral wire of three-phase four- and five-wire power lines of low-voltage power supply systems with asymmetrical and nonlinear loads.

Техническим результатом является:The technical result is:

• снижение реактивных токов в фазах и, как следствие, снижение потерь электрической энергии в системах электроснабжения и повышение их пропускной способности,• reduction of reactive currents in phases and, as a consequence, reduction of electrical energy losses in power supply systems and increase in their capacity,

• ограничение коммутационных перенапряжений силовых трансформаторов в случае размещения устройства на трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ приводит к уменьшению вероятности пробоя изоляции линии и обмоток трансформатора,• limitation of switching overvoltages of power transformers when the device is placed at 6(10)/0.4 kV transformer substations leads to a reduction in the likelihood of breakdown of the line insulation and transformer windings,

• уменьшение тока в нейтральном проводе низковольтных четырёхпроводных линий в случае размещения устройства на вводах отдельных зданий, строений и домов позволяет снизить вероятность термического разрушения линии и нейтрального провода,• reducing the current in the neutral wire of low-voltage four-wire lines when the device is placed at the inputs of individual buildings, structures and houses allows reducing the likelihood of thermal damage to the line and the neutral wire,

• повышение качества электрической энергии за счёт частичной фильтрации токов высших гармоник и несимметричных реактивных токов,• improving the quality of electrical energy due to partial filtering of higher harmonic currents and asymmetrical reactive currents,

• обеспечение защиты конденсаторов от негативного воздействия токов высших гармоник и возможного возникновения резонанса.• ensuring protection of capacitors from the negative effects of higher harmonic currents and the possible occurrence of resonance.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счёт устройства независимой пофазной компенсации реактивной мощности, содержащего корпус внутри которого закреплены три однофазные конденсаторные батареи, собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью» и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов, датчики выдержки времени, три трансформатора тока, отличающееся тем, что используется один трёхканальный регулятор, контакторы с токоограничивающими резисторами (дросселями), дополнительно введены три однофазных токоограничивающих дросселя, подключенные последовательно конденсаторным батареям в каждой фазе.The stated problem is solved, and the technical result is achieved due to a device for independent phase-by-phase reactive power compensation, containing a housing inside which are fixed three single-phase capacitor banks, assembled according to a “star with a grounded neutral” circuit and consisting of the n-th number of adjustable capacitor stages, time delay sensors , three current transformers, characterized in that one three-channel regulator is used, contactors with current-limiting resistors (chokes), three single-phase current-limiting chokes are additionally introduced, connected in series to capacitor banks in each phase.

Также задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что однофазные конденсаторные батареи имеют нерегулируемую постоянно включенную первую ступень конденсаторов.Also, the problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that single-phase capacitor banks have an unregulated, always-on first stage of capacitors.

Также задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что устройство выполнено в бескорпусном модульном исполнении.Also, the problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the device is made in a packageless modular design.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Фиг. 1 - Функциональная схема устройства независимой пофазной компенсации реактивной мощности.Fig. 1 - Functional diagram of the device for independent phase-by-phase reactive power compensation.

На фиг. 1 обозначены следующие позиции: 2 - однофазная конденсаторная батарея, 3 - нерегулируемая ступень конденсаторов, 4 - регулируемые ступени конденсаторов, 5 - датчик выдержки времени, 6 - трансформатор тока, 7 - трёхканальный регулятор, 8 - токоограничивающий дроссель.In fig. 1 indicates the following positions: 2 - single-phase capacitor bank, 3 - unregulated capacitor stage, 4 - adjustable capacitor stages, 5 - time delay sensor, 6 - current transformer, 7 - three-channel regulator, 8 - current-limiting choke.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности содержит корпус, внутри которого установлены три однофазные конденсаторные батареи (2), собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью» и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов (4). Кроме того, устройство содержит три датчика выдержки времени (5) на срабатывание контакторов для коммутации необходимого числа ступеней конденсаторов соответствующей фазы с определённой задержкой времени, три трансформатора тока (6), подключенные в каждой фазе сети для измерения значений действующих токов в фазах, трёхканальный регулятор реактивной мощности (7), по командам которого происходит независимая пофазная коммутация контакторов для включения или отключения необходимого числа ступеней конденсаторов (4) соответствующей фазы до достижения заданного значения коэффициента мощности (или коэффициента реактивной мощности), контакторы с токоограничивающими резисторами или дросселями, три однофазных антирезонансных фильтрующих дросселя (8), настроенных на определённую частоту, в первую очередь предназначенные для защиты конденсаторов от перегрузки и термического разрушения вследствие протекания токов высших гармоник и возможного появления резонанса.The device for independent phase-by-phase reactive power compensation contains a housing, inside of which three single-phase capacitor banks (2) are installed, assembled according to a “star with a grounded neutral” circuit and consisting of the n-th number of adjustable capacitor stages (4). In addition, the device contains three time delay sensors (5) for the operation of contactors for switching the required number of stages of capacitors of the corresponding phase with a certain time delay, three current transformers (6) connected in each phase of the network to measure the values of effective currents in the phases, a three-channel regulator reactive power (7), on the commands of which independent phase-by-phase switching of contactors occurs to turn on or off the required number of stages of capacitors (4) of the corresponding phase until a given value of the power factor (or reactive power factor) is achieved, contactors with current-limiting resistors or chokes, three single-phase anti-resonance filter choke (8), tuned to a certain frequency, primarily designed to protect capacitors from overload and thermal destruction due to the flow of higher harmonic currents and the possible occurrence of resonance.

Описываемое устройство эффективно компенсирует реактивную мощность в каждой фазе низковольтной несимметричной нагрузки, исключая режимы недокомпенсации и перекомпенсации в отдельных фазах, благодаря чему снижаются потери электроэнергии и повышается пропускная способность систем электроснабжения.The described device effectively compensates reactive power in each phase of a low-voltage asymmetric load, eliminating undercompensation and overcompensation modes in individual phases, thereby reducing electricity losses and increasing the throughput of power supply systems.

В случае размещения устройства на вводах отельных зданий, строений и домов также снижается ток в нейтральном проводе четырёхпроводных линий систем электроснабжения низкого напряжения с несимметричной и нелинейной нагрузкой без усложнения функциональности и, как следствие, конструкции устройства, что уменьшает вероятность термического разрушения линии и нейтрального провода. Наибольший эффект будет наблюдаться при использовании устройства в низковольтных системах электроснабжения, выполненных с заниженным сечением нейтрального провода по сравнению с сечением силовых проводов.If the device is placed at the inputs of hotel buildings, buildings and houses, the current in the neutral wire of four-wire lines of low voltage power supply systems with an asymmetrical and nonlinear load is also reduced without complicating the functionality and, as a result, the design of the device, which reduces the likelihood of thermal destruction of the line and the neutral wire. The greatest effect will be observed when using the device in low-voltage power supply systems made with a reduced cross-section of the neutral wire compared to the cross-section of the power wires.

В случае размещения устройства на трансформаторных подстанциях 6(10)/0,4 кВ наряду с эффективной компенсацией реактивных токов несимметричных нагрузок также ограничиваются перенапряжения, возникающие при коммутации силовых трансформаторов, что позволяет продлить допустимый срок эксплуатации силовых трансформаторов, линий и соединительных муфт.If the device is placed at 6(10)/0.4 kV transformer substations, along with effective compensation of reactive currents of asymmetrical loads, overvoltages that occur during switching of power transformers are also limited, which allows extending the permissible service life of power transformers, lines and couplings.

Токоограничивающие дроссели (8), включенные последовательно конденсаторным батареям (2) и настроенные на определённую гармонику частоты сети, имеют очень малое значение сопротивления на основной гармонике и высокое значение индуктивных сопротивлений для высших гармоник, за счёт чего уменьшаются гармонические составляющие токов нагрузки. Дроссели (8) позволяют предотвратить перегрузку и термическое разрушение конденсаторов из-за возможного возникновения резонанса между ёмкостью конденсаторов и индуктивностью сети. Наряду с защитой конденсаторов, предотвращением резонансных явлений и частичной фильтрацией высших гармоник дроссели (8) могут играть роль токоограничивающих реакторов для защиты конденсаторов от бросков пусковых токов, возникающих при коммутации регулируемых ступеней конденсаторов (4).Current-limiting chokes (8), connected in series with capacitor banks (2) and tuned to a certain harmonic of the mains frequency, have a very low resistance value at the main harmonic and a high value of inductive resistance for higher harmonics, due to which the harmonic components of the load currents are reduced. Chokes (8) help prevent overload and thermal destruction of capacitors due to the possible occurrence of resonance between the capacitance of the capacitors and the inductance of the network. Along with protecting capacitors, preventing resonance phenomena and partially filtering higher harmonics, chokes (8) can play the role of current-limiting reactors to protect capacitors from inrush currents that occur when switching adjustable stages of capacitors (4).

Устройство может быть выполнено с первой нерегулируемой постоянно включенной ступенью конденсаторов (3).The device can be made with a first unregulated, constantly switched-on stage of capacitors (3).

Использование одного трёхканального регулятора (7) вместо трёх, необходимых для осуществления независимой пофазной компенсации, снижает стоимость и сложность конструкции устройства. Регулятор может быть выполнен с дистанционным телеуправлением, позволяющим дистанционно управлять устройством и осуществлять мониторинг и передачу данных в диспетчерские пункты.The use of one three-channel regulator (7) instead of three required for independent phase compensation reduces the cost and complexity of the device design. The regulator can be equipped with remote telecontrol, allowing you to remotely control the device and monitor and transmit data to control centers.

Датчики выдержки времени (5) на срабатывание контакторов позволяют отстроиться от кратковременных изменений потребления реактивной мощности в сети, тем самым повысить допустимый срок службы контакторов и конденсаторов.Time delay sensors (5) for the operation of contactors make it possible to tune out short-term changes in reactive power consumption in the network, thereby increasing the permissible service life of contactors and capacitors.

В устройстве предпочтительно использовать токоограничивающие контакторы с демпфирующими резисторами или дросселями, позволяющие ограничить броски пускового тока и перенапряжения при коммутации ступеней конденсаторов. Также могут использоваться обычные электромеханические контакторы и контакторы на базе полупроводниковой техники.It is preferable to use current-limiting contactors in the device with damping resistors or chokes, which make it possible to limit inrush currents and overvoltages when switching capacitor stages. Conventional electromechanical contactors and contactors based on semiconductor technology can also be used.

Устройство может быть выполнено в модульном бескорпусном исполнении для размещения, например, в эксплуатируемых распределительных шкафах и действующих устройствах компенсации реактивной мощности, что позволяет снизить затраты на установку и ввод в действие в сравнении со шкафными устройствами.The device can be made in a modular, unframed design for placement, for example, in operating distribution cabinets and existing reactive power compensation devices, which reduces installation and commissioning costs in comparison with cabinet-mounted devices.

Изобретение работает следующим образом.The invention works as follows.

С помощью трансформаторов тока (6) и регулятора реактивной мощности (7) производится измерение действующих значений токов в фазах и напряжений, вычисляется действующий коэффициент мощности (или коэффициент реактивной мощности) в каждой фазе и в случае несоответствия заданным значениям по команде регулятора (7) с выдержкой времени включения, достигающейся с помощью датчиков выдержки времени (5) и позволяющей исключить коммутацию ступеней конденсаторов (4) при кратковременных изменениях потребления реактивной мощности, осуществляется коммутация токоограничивающих контакторов соответствующей фазы для включения или отключения некоторого числа регулируемых ступеней конденсаторов (4), необходимого для достижения заданной величины коэффициента мощности определённой фазы. Регулятор (7) производит поочерёдный опрос фаз на необходимость компенсации реактивной мощности.Using current transformers (6) and a reactive power regulator (7), the effective values of currents in the phases and voltages are measured, the effective power factor (or reactive power factor) in each phase is calculated and, in case of discrepancy with the specified values, at the command of the regulator (7) with By switching on time delay, achieved using time delay sensors (5) and allowing to exclude switching of capacitor stages (4) during short-term changes in reactive power consumption, switching of current-limiting contactors of the corresponding phase is carried out to turn on or off a certain number of adjustable stages of capacitors (4) required for achieving a given value of the power factor of a certain phase. The regulator (7) alternately polls the phases for the need to compensate for reactive power.

Claims (4)

1. Устройство независимой пофазной компенсации реактивной мощности, содержащее три однофазные конденсаторные батареи (2), собранные по схеме «звезда с заземлённой нейтралью», подключенные к каждой фазе сети и состоящие из n-го числа регулируемых ступеней конденсаторов (4), контакторы для включения и отключения требуемого числа регулируемых ступеней конденсаторов для достижения заданной величины коэффициента мощности соответствующей фазы, датчики выдержки времени (5) на срабатывание контакторов соответствующей фазы с задержкой времени, три трансформатора тока (6), подключенные в каждой фазе сети, отличающееся тем, что содержит один трёхканальный регулятор (7), контакторы выполнены с токоограничивающими резисторами или дросселями, введены три однофазных токоограничивающих дросселя (8), подключенные последовательно конденсаторным батареям в каждой фазе. 1. A device for independent phase-by-phase reactive power compensation, containing three single-phase capacitor banks (2), assembled according to a “star with a grounded neutral” circuit, connected to each phase of the network and consisting of the n-th number of adjustable capacitor stages (4), contactors for switching and turning off the required number of adjustable capacitor stages to achieve a given value of the power factor of the corresponding phase, time delay sensors (5) for the operation of contactors of the corresponding phase with a time delay, three current transformers (6) connected in each phase of the network, characterized in that it contains one three-channel regulator (7), contactors are made with current-limiting resistors or chokes, three single-phase current-limiting chokes (8) are introduced, connected in series to capacitor banks in each phase. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что однофазные конденсаторные батареи (2) имеют нерегулируемую постоянно включенную первую ступень конденсаторов (3). 2. The device according to claim 1, characterized in that the single-phase capacitor banks (2) have an unregulated, permanently switched first stage of capacitors (3). 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено в бескорпусном модульном исполнении. 3. The device according to claim 1, characterized in that it is made in a packageless modular design. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит корпус, внутри которого закреплены три однофазные конденсаторные батареи. 4. The device according to claim 1, characterized in that it contains a housing, inside of which three single-phase capacitor banks are fixed.