группа из m преобразовательных подстанций

Формула изобретения

Группа из m, где 2 m 10, преобразовательных подстанций, по крайней мере, две из которых содержат, по крайней мере, по три силовых понизительных трансформатора, обмотки высокого напряжения которых соединены с высоковольтной питающей сетью, а обмотки низкого напряжения расщеплены на две части, при этом первая из двух указанных преобразовательных подстанций содержит n₁, где 4 n₁ 16, преобразователей, вторая преобразовательная подстанция содержит n₂, где 4 n₂ 16, преобразователей, каждый из указанных преобразователей содержит преобразовательный трансформатор с фазными выводами a, b и с, содержащий сетевую и вентильную обмотки и, по меньшей мере, одну фазосдвигающую обмотку, обеспечивающую создание углов фазового сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, в первой из упомянутых преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы k₁, где 2 k₁ 8, преобразователей соединены с сетью, образованной одними из частей обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₁-k ₁) преобразователей соединены с сетью, образованной другими частями обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, во второй из упомянутых преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы k₂, где 2 k₂ 8, преобразователей соединены с сетью, образованной одними из частей обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₂-k ₂) преобразователей соединены с сетью, образованной другими частями обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, выводы a, b и с преобразовательного трансформатора, по меньшей мере одного преобразователя каждой из упомянутых преобразовательных подстанций подключены к соответствующим фазам а, b и с сети, образованной одними из частей обмоток низкого напряжения понизительных трансформаторов соответствующей преобразовательной подстанции, один из фазных выводов преобразовательного трансформатора по меньшей мере одного другого преобразователя каждой из упомянутых преобразовательных подстанций подключен к соответствующей фазе сети, образованной другими частями обмоток низкого напряжения понизительных трансформаторов соответствующей преобразовательной подстанции, а два его других фазных вывода подключены к другим несоответствующим фазам этой сети, отличающаяся тем, что в каждой из двух указанных преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы каждого из k₁ и k₂ преобразователей, подключенные к одним частям обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, имеют соотношение чисел витков сетевой и фазосдвигающей обмоток, обеспечивающее один угол фазового сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, а каждый из преобразовательных трансформаторов (n₁-k₁) и (n₂-k₂) преобразователей, подключенных к другим частям обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, имеют соотношение чисел витков сетевой и фазосдвигающей обмоток, обеспечивающее другой угол фазового сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, при этом на одной из двух указанных преобразовательных подстанций фазные выводы а, b и с преобразовательных трансформаторов, обеспечивающих один указанный угол фазового сдвига, подключены к соответствующим фазам сети, образованной одними частями обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, а на другой из указанных преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы преобразователей, обеспечивающие такой же угол фазового сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, подключены одним фазным выводом к соответствующей ему фазе сети, образованной одними из частей обмоток низкого напряжения понизительных трансформаторов, а два его других фазных вывода подключены к другим несоответствующим фазам этой сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам энергоснабжения серий электролиза алюминия на алюминиевых заводах.

Известна группа из двух преобразовательных подстанций, каждая из которых содержит силовой понизительный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с высоковольтной питающей сетью, а обмотка низкого напряжения расщеплена на две части; первая преобразовательная подстанция содержит n₁ преобразователей, а вторая - n₂ преобразователей; каждый преобразователь содержит преобразовательный трансформатор с вводами "а", "b", "с" и, по меньшей мере, один мостовой выпрямитель; каждый преобразовательный трансформатор содержит сетевую и вентильную обмотки, а также, по меньшей мере, одну обмотку, обеспечивающую создание углов сдвига напряжений вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, причем количество исполнений преобразователей по величине угла фазового сдвига преобразовательного трансформатора равно двум; в первой преобразовательной подстанции преобразовательные трансформаторы k₁ преобразователей соединены с сетью, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₁-k₁) преобразователей соединены с сетью, образованной другой частью обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора; во второй преобразовательной подстанции преобразовательные трансформаторы k₂ преобразователей соединены с сетью, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₂-k₂) преобразователей соединены с сетью, образованной другой частью обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора; при этом некоторые из преобразовательных трансформаторов имеют соответственное подключение к фазам питающей сети, состоящее в том, что их вводы "а", "b", "с" подключены соответственно к фазам "а", "b", "с" сети, а другие преобразовательные трансформаторы имеют несоответственное подключение к фазам питающей сети, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, состоящее в том, что один из вводов подключен к соответствующей ему фазе питающей сети, а два других ввода - к несоответствующим им фазам этой сети, к каждой из сетей, образованных частями обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, подключены преобразовательные трансформаторы как первого, так и второго исполнений преобразователей, причем преобразовательные трансформаторы, подключенные к каждой из сетей, образованных частями обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, имеют как соответственное, так и несоответственное подключение [1].

Описанная в [1] группа преобразовательных подстанций при фазности выпрямления единичного преобразователя, равной 12, позволяет достигнуть на каждой подстанции 48-фазного выпрямления. Однако она характеризуется следующими недостатками. Преобразовательные трансформаторы преобразователей разных исполнений по величине угла фазового сдвига имеют некоторые различия в таких параметрах, как коэффициент трансформации и напряжение короткого замыкания. Указанные различия приводят к тому, что преобразователи берут на себя разную токовую нагрузку. В результате этого для достижения требуемого суммарного выпрямленного тока требуется большее число преобразователей либо их приходится выполнять рассчитанными на большие токовые нагрузки. Неравномерность в токовых нагрузках приводит к тому, что в питающей сети высшие гармоники не полностью компенсируются, повышается коэффициент искажения напряжения питающей сети, что в свою очередь приводит к необходимости установки дорогостоящих фильтрокомпенсирующих устройств.

Изобретением решается задача создания группы из m преобразовательных подстанций, лишенной отмеченных выше недостатков и характеризующейся отсутствием разницы в токовых нагрузках преобразователей, уменьшением числа преобразователей, снижением коэффициента искажения напряжения питающей сети, снижением капитальных затрат на сооружение преобразовательных подстанций за счет уменьшения числа преобразователей и исключения дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств.

Для решения поставленной задачи в группе из m преобразовательных подстанций, содержащей в, по меньшей мере, двух из которых, по крайней мере, один силовой понизительный трансформатор, обмотка высокого напряжения которого соединена с высоковольтной питающей сетью, а обмотка низкого напряжения расщеплена на две части; при этом первая из двух указанных преобразовательных подстанций содержит n₁ преобразователей, а вторая - n₂ преобразователей; каждый преобразователь содержит преобразовательный трансформатор с вводами "а", "b", "с" и, по меньшей мере, один мостовой выпрямитель; каждый преобразовательный трансформатор содержит сетевую и вентильную обмотки, а также, по меньшей мере, одну обмотку, обеспечивающую создание углов сдвига напряжения вентильной обмотки относительно напряжения питающей сети, причем количество исполнений преобразователей по величине угла фазового сдвига преобразовательного трансформатора равно двум; в первой из упомянутых преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы k₁ преобразователей соединены с сетью, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₁-k₁) преобразователей соединены с сетью, образованной другой частью обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора; во второй из упомянутых преобразовательных подстанций преобразовательные трансформаторы k₂ преобразователей соединены с сетью, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, а преобразовательные трансформаторы остальных (n₂-k₂) преобразователей соединены с сетью, образованной другой частью обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора; по меньшей мере, один из преобразовательных трансформаторов имеет соответственное подключение к фазам питающей сети, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, состоящее в том, что его вводы "а", "b", "с" подключены соответственно к фазам "а", "b", "с" сети, и, по меньшей мере, один из преобразовательных трансформаторов имеет несоответственное подключение к фазам питающей сети, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, состоящее в том, что один из его вводов подключен к соответствующей ему фазе этой сети, а два других ввода - к несоответствующим им фазам этой сети, предложено, согласно настоящему изобретению, в каждой из двух указанных преобразовательных подстанций каждый из k ₁ и k₂ преобразователей, преобразовательные трансформаторы которых подключены к одним частям обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, выполнить одного исполнения по величине угла фазового сдвига, а каждый из (n ₁-k₁) и (n₂-k₂) преобразователей, преобразовательные трансформаторы которых подключены к другим частям обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов, выполнить другого исполнения по величине угла фазового сдвига, на одной из двух указанных подстанций преобразовательные трансформаторы одного исполнения выполнить с соответственным подключением к фазам сети, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения понизительного трансформатора, а на другой из этих двух подстанций преобразовательные трансформаторы преобразователей этого же исполнения выполнить с несоответственным подключением к фазам сети, образованной одной из частей обмотки низкого напряжения понизительного трансформатора,

где

m - общее число преобразовательных подстанций, натуральное число, 2 m 10;

n₁, n₂, k₁, k₂ - количество преобразователей, натуральные числа,

4 n₁ 16; 4 n₂ 16; 2 k₁ 8; 2 k₂ 8.

Выполнение всех преобразователей, преобразовательные трансформаторы которых подключены к одной питающей сети, образованной одной частью обмотки низкого напряжения одного из силовых понизительных трансформаторов, позволяет в силу их идентичности абсолютно выровнять их токовые нагрузки. Токовые же нагрузки преобразователей одной подстанции, преобразовательные трансформаторы которых питаются от разных частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора, также имеют минимальную разницу, так как токораспределение между ними определяется индуктивными взаимосвязями частей обмотки низкого напряжения силового понизительного трансформатора.

Выравнивание токораспределения на каждой из подстанций приводит к возможности уменьшения количества преобразователей, повышению к.п.д. подстанции и ее эксплуатационной надежности.

Разное подключение преобразовательных трансформаторов преобразователей одного исполнения, размещенных на разных подстанциях, позволяет удвоить эквивалентную фазность выпрямления, снизить капитальные затраты вследствие отказа от применения фильтрокомпенсирующих устройств, предназначенных для снижения уровня высших гармоник в напряжении питающей сети.

В дальнейшем изобретение поясняется на примере выполнения чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема заявляемой группы, состоящей из двух преобразовательных подстанций, на фиг.2 - схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора преобразователя одного исполнения, на фиг.3 - схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора преобразователя другого исполнения.

Каждая из преобразовательных подстанций 1 и 2, входящих в группу, содержит по три однофазных силовых понизительных трансформатора, соответственно 3, 4, 5 и 6, 7, 8, обмотка высокого напряжения каждого из которых соответственно 9, 10, 11 и 12, 13, 14 соединена с высоковольтной питающей сетью 15.

Обмотки низкого напряжения 16, 17, 18 и 19, 20, 21 трансформаторов соответственно 3, 4, 5 и 6, 7, 8 расщеплены на две части. В частности, обмотка 16 расщеплена на части 22, 23; обмотка 17 расщеплена на части 24, 25; обмотка 18 расщеплена на части 26, 27; обмотка 19 расщеплена на части 28, 29; обмотка 20 расщеплена на части 30, 31; обмотка 21 расщеплена на части 32, 33.

Преобразовательная подстанция 1 содержит четыре (n₁=4) преобразователя 34, 35, 36, 37. Преобразовательная подстанция 2 также содержит четыре (n₂=4) преобразователя 38, 39, 40, 41. Каждый из преобразователей 34-41 содержит преобразовательный трансформатор соответственно 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49. Каждый из преобразовательных трансформаторов 42-49 имеет вводы "а", "b", "с", имеющие на фиг.1 соответствующее буквенное обозначение. Каждый из преобразователей 34-41 содержит по два мостовых выпрямителя. Преобразователь 34 имеет выпрямители 50, 51; преобразователь 35 имеет выпрямители 52, 53; преобразователь 36 имеет выпрямители 54, 55; преобразователь 37 имеет выпрямители 56, 57; преобразователь 38 имеет выпрямители 58, 59; преобразователь 39 имеет выпрямители 60, 61; преобразователь 40 имеет выпрямители 62, 63; и преобразователь 41 имеет выпрямители 64, 65.

Выпрямители 50-57 по стороне постоянного тока преобразовательной подстанции 1 соединены параллельно и подключены к серии электролиза алюминия 66. Аналогично, выпрямители 58-65 по стороне постоянного тока преобразовательной подстанции 2 соединены параллельно и подключены к серии электролиза алюминия 67.

Части 22, 24, 26 обмоток низкого напряжения 16, 17, 18 силовых понизительных трансформаторов соответственно 3, 4, 5 преобразовательной подстанции 1 образуют сеть 68, к которой подключены преобразовательные трансформаторы 42, 43 преобразователей 34, 35. Подключение выполнено таким образом, что вводы "а", "b", "с" преобразовательных трансформаторов 42, 43 подключены соответственно к фазам "а", "b", "с" сети 68.

Части 23, 25, 27 обмоток низкого напряжения 16, 17, 18 силовых понизительных трансформаторов соответственно 3, 4, 5 преобразовательной подстанции 1 образуют сеть 69, к которой подключены преобразовательные трансформаторы 44, 45 преобразователей 36, 37. Подключение выполнено таким образом, что вводы "а", "b", "с" преобразовательных трансформаторов 44, 45 подключены к фазам "а", "с", "b" сети 69.

Части 28, 30, 32 обмоток низкого напряжения 19, 20, 21 силовых понизительных трансформаторов соответственно 6, 7, 8 преобразовательной подстанции 2 образуют сеть 70, к которой подключены преобразовательные трансформаторы 46, 47 преобразователей 38, 39. Подключение выполнено таким образом, что вводы "а", "b", "с" преобразовательных трансформаторов 46, 47 подключены к фазам "а", "с", "b" сети 70.

Части 29, 31, 33 обмоток низкого напряжения 19, 20, 21 силовых понизительных трансформаторов соответственно 6, 7, 8 преобразовательной подстанции 2 образуют сеть 71, к которой подключены преобразовательные трансформаторы 48, 49 преобразователей 40, 41. Подключение выполнено таким образом, что вводы "а", "b", "с" преобразовательных трансформаторов 48, 49 подключены соответственно к фазам "а", "b", "с" сети 71.

На фиг.2 изображена схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора 42 преобразователя 34. Преобразовательный трансформатор 42 имеет вводы "а", "b", "с", сетевую обмотку 72, вентильную обмотку 73 и фазосдвигающую обмотку 74. Вентильная обмотка 73 выполнена из двух частей 75 и 76, соединенных в "звезду" и "треугольник" и подсоединяемых к выпрямителям соответственно 50, 51. Соотношение чисел витков в обмотках 72, 74 таково, что угол фазового сдвига составляет 3,75 электрических градусов. Точно такую же схему и такое же соотношение витков в обмотках имеют трансформаторы 43, 46, 47.

На фиг.3 изображена схема соединения обмотки преобразовательного трансформатора 44 преобразователя 36. Преобразовательный трансформатор 44 имеет вводы "а", "b", "с", сетевую обмотку 77, вентильную обмотку 78 и фазосдвигающую обмотку 79. Вентильная обмотка 78 выполнена из двух частей 80 и 81, соединенных в "звезду" и "треугольник" и подсоединяемых к выпрямителям соответственно 54, 55. Соотношение чисел витков в обмотках 77, 79 таково, что угол фазового сдвига составляет 11, 25 электрических градусов. Точно такую же схему и такое же соотношение витков в обмотках имеют трансформаторы 45, 48, 49.

Вследствие наличия в преобразователях частей вентильных обмоток, соединенных в "звезду" и "треугольник", каждый преобразователь имеет 12-фазное выпрямление.

На преобразовательной подстанции 1 преобразователи 34, 35 имеют угол фазового сдвига в преобразовательных трансформаторах 42, 43, равный плюс 3,75 электрических градуса, а преобразователи 36, 37 имеют угол фазового сдвига в преобразовательных трансформаторах 44, 45 плюс 11,25 электрических градуса. Указанное несоответственное подключение трансформаторов 42, 43 к питающей сети 69 приводит к тому, что их сдвиг по фазе становится эквивалентным минус 11,25 электрических градуса. Таким образом, разница в эквивалентных углах фазовых сдвигов преобразователей 34, 35 и 36, 37 становится равной 15 электрических градусов, что соответствует 24-фазному режиму выпрямления.

На преобразовательной подстанции 2 преобразователи 38, 39 имеют угол фазового сдвига в преобразовательных трансформаторах 46, 47 плюс 3,75 градуса. Указанное ранее несоответственное подключение этих трансформаторов к сети 70 приводит к тому, что их эквивалентный сдвиг по фазе становится минус 3,75 электрических градуса. Преобразователи 40, 41 имеют угол фазового сдвига в преобразовательных трансформаторах 48, 49, равный плюс 11,25 электрических градуса. Таким образом, разница в эквивалентных углах фазовых сдвигов преобразователей 38, 39 и 40, 41 становится равной 15 электрических градусов.

Суммарная эквивалентная фазность выпрямления в группе из двух преобразовательных подстанций равна 48, так как пары преобразователей 34 и 35, 36 и 37, 38 и 39, 40 и 41 имеют эквивалентные углы фазовых сдвигов соответственно: плюс 3,75; минус 11,25; минус 3,75; плюс 11,25 электрических градусов.

Все преобразователи имеют практически равную токовую нагрузку, так как преобразовательные трансформаторы, подключенные к каждой из сетей 68-71, одинаковы. Токораспределение между преобразователями, питающимися от разных сетей, также достаточно равномерное, так как оно определяется взаимными индуктивностями частей обмоток низкого напряжения силовых понизительных трансформаторов.

В силу равенства токовых нагрузок преобразователей на преобразовательных подстанциях может быть уменьшено количество преобразователей либо уменьшена единичная номинальная мощность преобразователя. Кроме того, равномерное распределение токов приводит к уменьшению выхода высших гармоник тока в питающую сеть 15 и позволяет отказаться от мероприятий по снижению коэффициента искажения напряжения питающей сети, например от использования фильтрокомпенсирующих устройств.

Проведенные исследования для группы из двух преобразовательных подстанций с выпрямленными параметрами каждой 200 кА, 900 В показали, что в сравнении с прототипом заявленное техническое решение позволяет уменьшить общее количество преобразователей с 16-ти до 14-ти, уменьшив тем самым капитальные затраты на преобразовательных подстанциях на 12,5%. Коэффициент искажения в заявляемом техническом решении составил 3,5% в сравнении с 4,2% в решении, принятом за прототип. Таким образом, снижение капитальных затрат за счет отказа от фильтрокомпенсирующих устройств составило 4,5%. Суммарная эффективность заявленного технического решения составляет 12,5+4,5=17,0% от общих капитальных затрат на группу преобразовательных подстанций.

В настоящее время заявляемое решение находится в стадии внедрения на одном из отечественных заводов алюминиевой промышленности.

Источники информации

1. Патент РФ на полезную модель №32335, МПК Н 02 Р 13/06, H 01 F 29/02, 2003 г.