CC BY
42
УДК 321.314
СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
В. С. Климаш, Р.Р. Ниматов
Рассмотрена проблема включения силовых трансформаторов электрическими аппаратами, которая связанна с бросками тока, просадкой напряжения у потребителей и сопровождается односторонними постоянными составляющими в магнитных потоках и электродинамическими ударами по обмоткам трансформатора. Предлагается для устранения этих недостатков производить безударное включение силового трансформатора при помощи электронного аппарата, который после завершения плавного пуска шунтируется контактором. Приводятся результаты исследования физических процессов в среде Ма^аЪ при пуске силового трансформатора с последующим переходом на стационарный режим работы.
Ключевые слова: силовой трансформатор, электрический аппарат, электронный аппарат, диодный выпрямитель, реактор, модель в среде Ма^аЪ.
Введение. В настоящее время на трансформаторных подстанциях применяют электрические аппараты [1], которые не обеспечивают регулируемое включение силовых трансформаторов (СТ). Они производят включение в произвольный момент времени с одновременным замыканием во всех фазах механических контактов выключателя. При таких включениях СТ возникают броски пусковых токов, электродинамические ударные воздействия на обмотки трансформатора, просадка напряжения у потребителей и дополнительные потери в электрооборудовании и в сети.
Для улучшения пусковых свойств силовых трансформаторов предлагаются специальные алгоритмы [2, 6], которые могут быть реали-зованы только при помощи электронных аппаратов (тиристорных пускателей). Однако, тиристорные пускатели при продолжительной работе в силовых цепях сами создают дополнительные потери электроэнергии, которые в виде тепла отводятся радиаторами.
Применение электронно-электрических аппаратов позволяет объединить их достоинства и устранить недостатки. Пуск СТ на параллельную работу или под нагрузкой производят электронной частью аппарата, а после его завершения электронную часть шунтируют механическими контактами электрического аппарата.
Специально разработанный для силового трансформатора гибридный аппарат [2, 4] содержит автоматический выключатель, тиристорный ключ и контактор, который после завершения процесса включения СТ шунтирует тиристорный ключ механическими контактами. Известное устройство при помощи специальной системы управления трехфазным ти-ристорным ключом сначала подключает две фазы первичной обмотки силового трансформатора к сети в момент максимума линейного напряжения от этих двух фаз [3], а затем подключает третью фазу первичной обмотки силового трансформатора к третьей фазе сети в момент перехода того же линейного напряжения через ноль.
С учетом требований к системам электроснабжения по надежности, к недостаткам известного пускателя с тиристорным управляемым подключением трехфазного силового трансформатора к сети следует отнести сложность и сравнительно низкую эксплуатационную надежность.
Известен также электронно-электрический аппарат для включения силового трансформатора с улучшенным алгоритмом управления [2, 4], который является более совершенным. Электронная часть устройств работает в соответствии со специальным алгоритмом управления и операциями известного способа включения трехфазного силового трансформатора [6], который дополняет описание электронно-электрического аппарата, поясняя структуру его построения.
В известном устройстве после включения автоматического выключателя трехфазное напряжение сети подается на вентильный преобразователь, который выполнен на тиристорах и при помощи специальной синхронизированной и фазированной с сетью аналого-цифровой системы управления производит подключение сначала двух фазных первичных обмоток силового трансформатора к соответствующим фазам сети в момент перехода фазного напряжения третьей фазы сети через ноль, а затем подключение третьей фазной первичной обмотки силового трансформатора к третьей фазе сети в момент перехода линейного напряжения двух предыдущих фаз сети через ноль.
После подключения третьей фазной первичной обмотки силового трансформатора к сети и достижения токами силового трансформатора установившихся значений вентильный преобразователь шунтируется механическими контактами контактора. Этим действием электронная часть устройства вместе с потерями на тиристорах отсекается от системы электроснабжения.
Однако и это устройство создает определенные сложности при эксплуатации силовых трансформаторов подстанций, обусловленные наличием в устройстве микроэлектронной системы управления, и снижение надежности системы электроснабжения в целом. Особенно этот недостаток проявляет себя применительно к высоковольтным системам электроснабжения в районах крайнего севера с трансформаторными подстанциями открытого исполнения.
Предложено техническое решение, которое значительно упрощает эксплуатацию и ремонт пускателя и повышает его надежность, как электронной части устройства, так и системы электроснабжения в целом. Оно заключается в том, что электронная часть устройства выполнена не на тиристорах с микроэлектронной системой управления, а на диодах [11]. Упрощается также и конструкция устройства, которая не требует специального климатического исполнения и защиты от воздействий электромагнитных и электростатических полей.
Разработка устройства для трансформаторной подстанции. Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на рис.1 приведена схема устройства для включения силового трансформатора.
451
а б
Рис. 1. Функциональные схемы устройств для включения силового трансформатора с электронными пускателями: диодно-тиристорным (а); диодно-реакторным (б)
В состав схем (рис. 1) с гибридными пускателями силового трансформатора входят следующие элементы: 1 - трехфазная сеть; 2 - ЯЬ-нагрузка трансформаторной подстанции; 3 - сетевой автоматический выключатель; 4 - силовой трансформатор; 5 - электронная часть гибридного пускателя; 6 - электромеханическая часть гибридного пускателя.
В схеме предлагаемого пускателя (рис. 1, б) при включении автоматического включателя 3 первичная обмотка силового трансформатора 4 подключаются к трехфазной сети 1 через трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5 с реактором в цепи постоянного тока. В соответствии с законами коммутации ток через реактор нарастает плавно и в мести с ним плавно изменяется ток и напряжение первичной обмотке силового трансформатора.
На рис. 2 приведены осциллограммы токов в относительных единицах, полученные на блочно-модульной модели в среде Ма^аЪ при включении СТ под нагрузкой по штатной схеме трансформаторной подстанции (рис. 2, а), схеме с диодно-тиристорным пускателем (рис. 2, б) и схеме с предлагаемым диодно-реакторным пускателем (рис. 2, в). Здесь желтым, зеленым и красным цветом соответственно изображены токи фаз А, В и С.
а
б
в
0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
! I 1 1
/XЛ / Х!\/Х Л / у \ / А //уТ\ \ / \ / х \ /у 1.С
\ху и/ и/ ^ \Х/ч
| ) 1 1 * 1
0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
1 I 1 1С
л(1 /Г \ лН\7ТК7Т \.......ГТ \ / А \/X
ЧХУ \ ^у \ ЛУ.Ш^ X/ ^ V / \
1 1
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 2. Осциллограммы токов для трех способов включения силового
трансформатора под нагрузкой: электрическим аппаратом (а), тиристорным пускателем (б) и пускателем на диодах с реактором (в)
Из осциллограмм видна полезность применения гибридных пускателей как при реализации второго, так и третьего способов. Они ограничивают пусковой ток, и вместе с ним, электродинамические силы на обмотки и пусковые потери в сети. Убирают в процессе пуска постоянные подмаг-ничивающие составляющие в токах намагничивания и магнитных потоках, просадку напряжения у потребителей. Вместе с тем, преимуществом второго способа, реализуемого диодно-тиристорными ключами, является возможность применения для любой схемы и группы включения первичной обмотки силового трансформатора и высокое быстродействие процесса включения (не более 0,01с). Преимуществом третьего предлагаемого способа, реализуемого диодно-реакторным устройством (диодным выпрямителем с реактором в цепи постоянного тока), является высокая надежность гибридного пускателя.
Моделирование в среде Ма^аЬ физических процессов диодно-реакторного пускателя силового трансформатора подстанции. На рис. 3 приведена блочно-модульная модель трансформаторной подстанции с диодно-реакторным пускателем. Модель устройства содержит: три однофазных источника напряжения (Ш, Ш, Ш); линию электропередачи (ЛЭП); выключатели ^1, Q2); модуль диодно-реакторного пускателя (ДРП); силовой трансформатор (СТ); трёхфазную активно-индуктивную нагрузку (RL); датчики тока и напряжения (Д4, Д-^ и другие вспомогательные элементы. Модуль предлагаемого пускателя ДРП включается в рассечку звезды первичной обмотки силового трансформатора.
Рис. 3. Схема модели трансформаторной подстанции с модулем предлагаемого пускателя на высокой стороне ТП
На рис. 4 приведена развернутая схема модуля ДРП. Она содержит трёхфазный диодный мост 6VD с информационным выходом о состоянии вентилей VD, сглаживающий реактор СР и контактор-короткозамыкатель. Модуль предлагаемого пускателя включается в рассечку звезды первичной обмотки силового трансформатора.
Рис. 4. Схема модуля предлагаемого пускателя
Результаты исследования. На рис. 5 представлены осциллограммы, иллюстрирующие физические процессы, протекающие в цепи переменного и постоянного тока пускателя.
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 5. Осциллограммы трехфазных напряжений (а) и токов (б) в первичной цепи СТ и мгновенных значений выпрямленного напряжения и тока (в) в цепи с реактором
Численными экспериментами в среде MatLab показано, что за счет естественных коммутационных свойств диодов устройство производит плавное симметричное включение силового трансформатора 4 с завершением процесса нарастания фазных токов и напряжений на его первичной обмотке (рис. 5, а-б) до установившихся значений за несколько периодов сетевого напряжения. Интенсивность процесса пуска силового трансформатора 4 задается индуктивностью реактора 6. Здесь осциллограммами показаны трехфазные системы напряжений иа, иь, ис (а) и токов ¿а, , /с (в) первичной обмотки силового трансформатора, а та кже мгновенные значения выпрямленного напряжения иа и тока (с), в цепи с реактором, полученных на математической модели в среде MatLab при включении силового трансформатора под нагрузкой.
Из осциллограмм (рис. 5) видно, что в процессе пуска СТ отсутствуют всплески тока, вызывающие просадку напряжения. Кроме этого, переходный процесс пуска происходит с плавным нарастанием напряжения и опережающим сдвигом его основной гармоники. Быстродействие процесса включения силового трансформатора (рис. 5) составляет порядка десятой доли секунды (от 0,02 до 0,12). Видно также, что в стационарном режиме работы силового трансформатора (на заданном при численном эксперименте рабочем интервале времени от 0,12 до 0,18 секунды) ток сети имеет синусоидальную форму.
На рис. 6 в относительных единицах приведены осциллограммы напряжений для одной фазы. Это напряжения на нагрузке (первичной обмотке СТ) и пусковом электронном устройстве, сумма которых равна напряжению сети.
0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21
Рис. 6. Осциллограммы напряжений одной фазы: 1 - сети; 2 - электронного устройства; 3 - нагрузки
Взаимное влияние физических процессов в цепи постоянного тока с реактором и трехфазной цепи переменного тока с силовым трансформатором порождает новое качество, которое проявляет себя в процессе пуска увеличением угла естественной коммутации диодов. Это наделяет диодный мост с реактором в цепи выпрямленного тока регулировочным свойством, аналогичным тиристорному регулятору напряжения с искусственной коммутацией (ТРНИ) [5]. Благодаря этому свойству пусковое устройство в виде диодно-реакторного пускателя с естественной коммутацией (ДРПЕ) производит плавное и квазисим-метричное регулируемое включение силового трансформатора с нарастанием во всех фазах тока и напряжения по экспонициальному закону. Следует отметить, что угол естественной коммутации диодов равен углу выключения ДРПЕ, вследствие чего регулируемое включение силового трансформатора производится с опережающей фазой первой гармоники напряжения, обеспечивая в процессе пуска частичную компенсацию реактивной мощности в сети. После достижения фазными токами силового трансформатора установившихся значений завершают процесс его включения при помощи короткозамыка-теля, шунтирующего входные зажимы выпрямителя.
Одновременно с преобразованием напряжения происходит изменение токов в первичных и вторичных фазных обмотках силового трансформатора 4 и в сети 1. Сначала токи из прямоугольной формы постепенно приобретают трапецеидальную и, затем, также постепенно принимают синусоидальную форму (рис. 5, б).
После достижения токами силового трехфазного трансформатора 4 установившихся значений электромеханическая часть гибридного пускателя 6 (трехфазного короткозамыкателя) шунтируют трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5. Этой операцией устройство завершает процесс безударного включения силового трансформатора 4, обеспечивая синусоидальный ток в его обмотках и сети. Кроме этого, шунтируя диодный выпрямитель, устройство выводит его из системы электроснабжения, сохраняя высокую эксплуатационную надежность [11]. Наконец, выпрямитель с закороченными электромеханической частью гибридного пускателя 6 входными зажимами, создает через диоды замкнутый контур для гашения электромагнитной энергии, накопленной в реакторе на сопротивление этого контура, и производит подготовку устройства к новому включения силового трансформатора 4.
Устройство для включения трехфазного силового трансформатора можно охарактеризовать как гибридный электронно-электрический аппарат, который на начальной стадии со сравнительно высоким быстродействием формирует процесс мягкого включения силового трансформатора электронным аппаратом, а на завершающей стадии электрическим аппаратом шунтирует трехфазный мостовой диодный выпрямитель, отсекая электронную часть устройства от системы электроснабжения.
Заключение. В результате проведённых исследований в среде «MatLab» можно сделать следующее выводы.
1. Штатная схема ТП, оснащенная электрическими аппаратами, не обеспечивает управляемого включения силового трансформатора. Пуск под нагрузкой с одновременным замыканием механическими контактами всех трех фаз происходит с бросками тока и просадкой напряжения, большими электродинамическими ударами по обмоткам трансформатора и пусковыми потерями.
2. Диодно-тиристорный пускатель обеспечивает управляемое включение силового трансформатора с высоким быстродействием, без превышения токами их установившихся значений и без снижения напряжения. После включения диодно-тиристорные ключи шунтируется электрическим аппаратом. Вместе с тем, микроэлектронная система управления тиристорами уязвима при больших электромагнитных, электростатических и тепловых воздействиях.
3. Предлагаемый диодно-реакторный пускатель производит квазисимметричное регулируемое включение силового трансформатора с плавным нарастанием во всех фазах тока и напряжения. В нем отсутствует микроэлектронная система управления и поэтому он наиболее простой и надёжный в эксплуатации.
Список литературы
1. Электрические машины: Трансформаторы: учебное пособие для электромех. спец. вузов / Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселев, Н.А. Акимова; под. ред. И.П. Копылова. М.: Высш. школа, 1989. 352 с.
2. Климаш В.С., Тараканов В.И. Способы включения трехфазного электрооборудования и их реализация // Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж, 2015, №2. С. 24 -28.
3. АС № 639120 СССР, МКИ: H02P 13/04. Способ включения трехфазного трансформатора // Гусев А. М. Заял: 1977.09.12. Опубликовано 25.12.1978. Бюл. № 47.
4. Патент №119903 РФ, МПК: G05F 1/10, H02M5/275 Электронный пускатель для трансформаторных подстанций // Климаш В.С., Чичеров Е.А., Тараканов В.И. Россия. Опубликовано 27.08.2012. Б.И. №24.
5. Климаш В. С. Регулировочные свойства, энергетические показатели и моделирование в среде MATLAB выпрямителей и регуляторов переменного напряжения: учебное пособие. Комсомольск-на-Амуре: ФШБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. 114 с.
6. Патент № 2536304 РФ, МПК: B60M 3/00, H02P13/06, Способ включения трансформатора подстанции // Климаш В.С., Тараканов В.И. Россия. Опубликовано 20.12.2014. Б.И. №35.
7. Халявский Г.Б. Расчет электродинамических усилий в электрических аппаратах. М.-Л., 1962.
8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебное для вузов. М.: Гардарика, 2002. 638 с.
9. Патент № 2510070 РФ. МПК: G05F 1/10. Способ включения трехфазных нагрузок // Климаш В.С., Тараканов В.И. Россия. Бюл. № 4. 2014.
10. Патент 2667095 РФ. МПК: H02P13/06. Способ управления пус-корегулирующим устройством силового трансформатора // Климаш В.С., Табаров Б. Д. Россия. Опубликовано 14.09.2018. Бюл. № 26.
11. Патент № 2715047 РФ. МПК: H02M 1/16. Устройство для включения силового трансформатора // Климаш В.С., Ниматов Р.Р. Россия. Опубликовано 26.02.2020. Бюл. № 6.
Климаш Владимир Степанович, д-р техн. наук, профессор, klimashayandex. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Ниматов Рустам Рамазонович, аспирант, Rustam0592@mail.ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет
METHODS AND DEVICES TO INCLUDE POWER TRANSFORMERS
V.S. Klimash, R.R. Nimatov 457
The problem of switching on power transformers by electric devices is considered, which is associated with current surges, voltage sags at consumers and is accompanied by one-sided constant components in magnetic fluxes and electrodynamic shocks on transformer windings. It is proposed to eliminate these drawbacks by shock-free switching on the power transformer using an electronic device, which after completion of a soft start is shunted by a contactor. The results of the study of physical processes in the Matlab environment when starting a power transformer with the subsequent transition to a stationary mode of operation are presented.
Key words: power transformer, electric apparatus, electronic apparatus, diode rectifier, reactor, model in Matlab environment.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, klimashayandex. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University,
Nimatov Rustam Ramazonovich, postgraduate, Rustam0592a mail.ru, Russia, Kom-somolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University
УДК 621.311; 621.3.018.783; 621.3.018.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЖИМОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПТИЦЕВОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
М.А. Авербух, П.С. Дрокин, Д.И. Прокопишин, А.В. Погорелов
Целью экспериментальных исследований явилась количественная оценка параметров режимов и электромагнитной обстановки в системе электроснабжения птицеводческого комплекса. Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается исключением систематических погрешностей на основании методики обработки результатов измерений по ГОСТР. 8.736-2011. Результаты измерений и расчётов подтверждают наличие несинусоидальности и несимметрии фазных токов и напряжений и позволяют оценить влияние их на потери электроэнергии и снижения срока службы оборудования.
Ключевые слова: высшие гармоники токов и напряжений, несимметрия напряжения, экспериментальные исследования, погрешности измерений.
На современных птицеводческих комплексах, применяются регулируемые частотные электропривода, энергосберегающее освещение, системы обогрева и т.д., все эти электроприёмники обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой. Поэтому актуальной задачей является исследование электромагнитной совместимости (ЭМС) электроприёмников с системой электроснабжения [1-3]. Цель экспериментального и аналитического исследований заключалась в количественной оценке параметров режимов работы, показателей нелинейности и несимметрии, системы, электроснабжения птицеводческого комплекса в реальных условиях. на предприятии по производству племенного яйца в поселке городского типа «Ра-зуменский» Белгородской области. На рис. 1 представлена схема электроснабжения птицеводческого комплекса, состоящего из пяти корпусов (К1-5) с указанием электроприемников и места установки измерительного прибора.
