Основной принцип применения
Из-за преимущественно индуктивного характера энергосистемы активный поток энергии между источником и нагрузкой должен выполняться с фазовым запаздыванием между терминалами. Трансформаторы с фазовым сдвигом являются предпочтительным инструментом для достижения этой цели.
Где и почему мы используем трансформаторы с фазовым сдвигом (фото: BTW Atlanta)
Особый интерес представляют две основные конфигурации:
- Поток мощности между системами передачи, работающих параллельно, где одна система включает в себя PST и
- Если одна линия передачи, которая включает в себя PST, соединяет две независимые системы питания.
Последнее на самом деле является частным случаем первого, но теперь стало более важным для взаимосвязи крупных систем. При следующих соображениях предполагается, что омическое сопротивление R мало по сравнению с реакционным сопротивлением X и, таким образом, пренебрегали.
Ситуация. Одна практическая базовая ситуация заключается в том, что место, где требуется мощность (сторона нагрузки), подключается к стороне источника через две системы, которые необязательно должны иметь одинаковый номинальный уровень напряжения.
См. Рисунок 1 ниже.
Рисунок 1 - Параллельные системы
Без какой-либо дополнительной меры токи I 1 и I 2 будут распределены пропорционально отношению импедансов систем, I 1 = I × X 2 / (X 1 + X 2)
I 2 = I × X 1 / (X 1 + X 2)
и нет сомнений в том, что система 2 займет лишь небольшую часть нагрузки из-за дополнительных сопротивлений двух трансформаторов в этой ветви.
Если поток мощности в системе 2 должен быть увеличен, необходимо ввести дополнительное напряжение ΔV для компенсации увеличенного падения напряжения в системе 2.
Предполагая, что активная мощность должна подаваться на сторону нагрузки и учитывая индуктивный характер систем, это напряжение должно иметь фазовое отставание на 90 ° от напряжения на линии от сети к сети (V L).
В принципе, источник ΔV может быть установлен в каждой из двух систем. На рисунке 2 показаны диаграммы напряжений обоих вариантов. Рисунок 2a соответствует рис. 1 с PST, установленным в системе 2, с более высоким импедансом. Дополнительное напряжение уменьшает падение напряжения в системе 2 по сравнению с системой 1.
Напряжение на выходе или стороне нагрузки PST V L * приводит к напряжению на стороне входа или источника VS. По определению это называется расширенным фазовым углом. Если PST были установлены в системе 1 (рис. 2b), дополнительное напряжение увеличило бы падение напряжения до падения напряжения в системе 2.
В этом случае напряжение на стороне нагрузки V L * отстает от напряжения источника V S, и это определяется как фазовый угол замедления. Как также видно из диаграмм, расширенный фазовый угол минимизирует общий угол между стороной источника и нагрузки.
Рисунок 2 - Диаграмма ненагрузочного напряжения параллельных систем
Второе важное применение - использование PST для управления потоком мощности между двумя большими независимыми сетками (рис. 3). Для достижения потока активной мощности от системы 1 к системе 2 необходим расширенный фазовый угол.
Рисунок 3 - Подключение двух систем
Типы трансформаторов фазового сдвига
Общие аспекты
Общий принцип получения фазового сдвига основан на соединении сегмента одной фазы с другой фазой. Для получения дополнительного напряжения на 90º ΔV использование дельта-подключенной обмотки предлагает простейшее решение.
На рисунке 4 показана возможная компоновка и используется для введения нескольких базовых определений. Вторичная обмотка фазы V 2 - V 3 разделяется на две половины и последовательно соединена с фазой V 1. При проектировании этой обмотки в качестве регулируемой обмотки и использования переключателей ответвлений (OLTC), ΔV и угла сдвига фаз могут быть изменены под нагрузкой.
Фейсорная диаграмма построена для условий без нагрузки, т. Е. Без учета падения напряжения в блоке. Следует также отметить, что токи в двух половинах обмотки серии не находятся в фазе.
Это отличается от обычных силовых трансформаторов и имеет последствия для внутреннего поля рассеяния.
Рисунок 4 - Одноядерный симметричный PST - Трансформатор с фазовым сдвигом
V S1 = V 10 + (ΔV 1/2)
V L1 = V 10 - (ΔV 1/2)
ΔV 1 = V S1 -V L1
Из фазовой диаграммы (рис. 4b) следует (V S1 = V L1 = V):
V 0 = V × cos (α / 2)
ΔV = V × 2 × sin (α / 2)
V Δ = V × cos (α / 2) × √3
и при I S = I L = I часть тока, которая передается возбуждающей обмотке, становится:
I Δ = (ΔV / V Δ) × I × cos (α / 2) = I × (2 / √3) × sin (α / 2)
Пропускная способность может быть рассчитана из
P SYS = 3 × V × I
и номинальная мощность проекта, определяющая размер PST, становится
P T = 3 × ΔV × I = P SYS × 2 × sin (α / 2)
Третий вид мощности (P Δ) - это мощность, которая передается во вторичный контур. Эта мощность отличается от ПТ, поскольку часть первичного тока компенсируется между двумя частями самой обмотки серии.
В двухжильных конструкциях (уравнение ΔV 1 = V S1 -V L1) эта мощность определяет также необходимую способность отключения OLTC.
P Δ = V Δ × I Δ = 1/3 × P SYS × sin (α)
В дополнение к переданной мощности также важен угол фазового сдвига.
Угол сдвига фаз 20 ° означает, что PST должен быть рассчитан на 34, 8% от пропускной способности, а угол 40 ° должен составлять 68, 4%. В этом отношении следует учитывать, что эффективный угол фазового сдвига под нагрузкой меньше угла фазового сдвига без нагрузки.
В оптимальном случае, когда коэффициент мощности нагрузки близок к 1, импеданс PST на 15% уменьшит угол сдвига фаз нагрузки на 8.58.
На практике можно разработать различные решения для создания PST. Основными факторами, влияющими на выбор, являются:
- Потребляемая мощность и коэффициент угла фазового сдвига
- Номинальное напряжение
- Возможность короткого замыкания подключенных систем
- Ограничения на доставку
- Спецификация производительности устройства РПН
Кроме того, предпочтения изготовителя относительно типа трансформатора (сердечника или оболочки) или типа обмоток и других конструктивных характеристик также могут играть определенную роль.
В зависимости от рейтинга используются одно- или двухжильные конструкции. Двухъядерные конструкции могут потребовать либо однобарабанную, либо двухконтурную конструкцию.
Одноядерный дизайн
Симметричные условия получены с помощью схемы, изображенной на рис. 4а. На рис. 5а и 5b показаны общие схемы соединений с более подробной информацией о регулирующей схеме.
Преимущество одноядерного дизайна - простота и экономичность. Но есть и ряд недостатков.
Недостатки - OLTC подключаются к системе и напрямую подвергаются воздействию всех перенапряжений и ошибок. Напряжение на шаг OLTC и ток определяются спецификацией и не всегда позволяют оптимальный экономичный выбор OLTC. Импеданс короткого замыкания PST колеблется между максимумом и нолем.
Поэтому нельзя планировать, что PST будет способствовать ограничению токов повреждения в системе.
Преимущество симметричной конструкции (рис. 5а) заключается в том, что угол фазового сдвига является единственным параметром, который влияет на поток мощности. Проекту нужны два однофазных OLTC (для низких оценок вместо него может использоваться один двухфазный OLTC) на фазу или два трехфазных OLTC.
Рисунок 5 - (a) Одноядерный симметричный PST (b) Одноядерный несимметричный PST
На рисунке 5b показано несимметричное решение. Используется только половина регулирующих обмоток. Количество необходимых OLTC уменьшается, но соотношение между напряжением источника и напряжением нагрузки изменяется с углом фазового сдвига и дополнительно влияет на поток мощности.
Решение, которое часто используется для трансформаторов, соединяющих две системы, показано на рисунке 6.
Отводная обмотка регулирующего трансформатора может быть подключена к другой фазе, вызывая сдвиг напряжения между регулируемой обмоткой и другими обмотками блока.
Рисунок 6 - Регулирующий трансформатор с эффектом PST
Регулируемая обмотка обычно подключается к стороне источника, но также возможна косвенная регулировка стороны нагрузки. Переход от нормального состояния регулирующего трансформатора к фазовому сдвигу возможен в среднем положении OLTC без необходимости отключения устройства.
Другое решение симметричного PST, дельта-гексагонального фазосдвигающего трансформатора, показано на рисунке 7.
Рисунок 7 - Дельта-гексагональный PST
Двухъядерный дизайн
Наиболее часто используемая схема для двухжильного дизайна показана на рисунке 8 ниже. Эта конфигурация состоит из серии и основного блока. Для меньших номиналов и более низких напряжений двухжильные PST могут быть встроены в один резервуар, в то время как более высокие рейтинги и PST с более высоким напряжением требуют конструкции с двумя резервуарами.
Преимуществом двухжильного дизайна является гибкость в выборе шагового напряжения и тока регулирующей обмотки. Они могут быть оптимизированы в соответствии с номиналами напряжения и тока OLTC.
Поскольку OLTC имеют ограниченные номинальные токи и ступенчатые напряжения на фазу, а также ограниченную коммутационную способность, они являются основными ограничивающими характеристиками для максимально возможного рейтинга PST. Возможно, потребуется использовать более одного OLTC на фазу для очень больших оценок.
Рисунок 8 - Двухъядерный PST
До определенного рейтинга можно использовать трехполюсные OLTC. Для более высоких рейтингов необходимы три однополюсных OLTC. Уровень изоляции OLTC не зависит от напряжения в системе и может поддерживаться на низком уровне. Импеданс короткого замыкания представляет собой сумму импедансов основного и серийного трансформаторов.
Поскольку импеданс блока серии является постоянным и независимым от фазового угла, блок может быть спроектирован так, чтобы быть самозащитой, и изменение импеданса с углом сдвига фазы может быть небольшим, когда импеданс основного блока сохраняется на низком уровне.
Квадратурные бустерные трансформаторы
Квадратурные вспомогательные трансформаторы представляют собой комбинацию регулирующего силового или автоматического трансформатора с фазосдвигающим трансформатором. PST, который может быть одно- или двухжильным, поставляется с регулируемой стороны силового трансформатора (рис. 9).
Рисунок 10 - Квадратурная упрощенная схема соединений
Благодаря этому способу выходное напряжение можно отрегулировать в соотношении четыре квадранта (амплитуда и фаза).
Ссылка // Руководство по электроэнергетике Леонарда Л. Григсби (Покупка печатной копии от Amazon)