Застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі

Реферат: Застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг стосується електроенергетики та електротехніки. Призначений для параметричного обмеження фазних перенапруг, які досягають від 10 % до 70 % від номінального значення фазних напруг і які виникають при фазних коротких замиканнях (ФКЗ), наприклад, на корпус, або на землю. Має додаткові супутні позитивні властивості: зменшення несиметрії та вищих гармонік напруг та струмів, параметричного врівноваження потужностей по фазах мережі, генерування напруг в обірваних фазах мережі і т.п. Застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі з нульовою фазою виконується з допомогою або фільтру струмів нульової послідовності як стабілізатора фаз, приєднаного до проміжного пункту багатофазної мережі, або з допомогою стабілізатора фаз, обмотки якого ввімкнені у багатокутник, наприклад, у трикутник і суміщені з первинними обмотками живильного трансформатора розподільчої мережі. Суміщення стабілізатора фаз із вторинними обмотками живильного трансформатора не забезпечує обмеження фазних перенапруг при виникненні ФКЗ. Таке застосування знижує всі фазні перенапруги, викликані ФКЗ, повністю і доводить фазні напруги до рівню 80 %-100 % від їх номінального значення; це застосування усуває перехідні процеси у фазних напругах, наприклад, при виникненні електричної дуги у пункті ФКЗ. UA 106921 C2 (12) UA 106921 C2 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної розподільчої мережі при несиметричному навантаженні взагалі, при однофазному навантаженні зокрема, а також при фазному короткому замиканні належить до електроенергетики та електротехніки. Вказаний обмежувач призначений для використання у трифазних та багатофазних низьковольтних та високовольтних мережах з кількістю фаз, рівною або більшою чотирьох. Такі мережі можуть бути виконані з нульовою фазою, або без неї. Відоме застосування нелінійних резисторів [1, 27] для захисту розподільчої мережі шляхом обмеження високовольтних імпульсів напруг. Недолік нелінійних резисторів - розпорошення параметрів характеристик при їх виготовленні в результаті впливу концентрації, форми та технології введення окису цинку. Відоме застосування високовольтних розрядників [11, 14, 15, 17, 26], у тому числі - газових розрядників [14] для захисту електричної мережі від високовольтних імпульсів напруг. Таке застосування знижує напругу у приймачів до нульового значення протягом часу горіння дуги. До того ж напруга пробою таких розрядників, наприклад, гаків не нормується. Відоме застосування подільників R-Lн, L-Lн або R-Rн, нелінійні елементи яких (що позначені індексом "н") виконані у вигляді дроселів насичення або напівпровідникових приладів типу стабілітрон [3, 4, 6, 7] для обмеження напруги. Недолік такого застосування - вразливість напівпровідникових приладів до перегріву імпульсними струмами, до перенапруг, а також запізнення реакції дроселя до початку та кінця його насичення. Відоме застосування швидкодіючих вимикачів [10] для автоматичного перемикання лінії до іншої подібної лінії [10, 12] з метою зменшення опору на землю у точці пробою і зниження перенапруги. Недолік застосування - потреба у додатковій лінії та швидкодіючій комутації. Відоме застосування нелінійної вольт-амперної характеристики діоду Зенера та L-C елементів для обмеження напруги мережі та її приймачів [5, 9, 13, 16]. Діоди Зенера вмикають послідовно для збільшення пробивної напруги та кращого розсіювання тепла. Таке застосування обмежене через вразливість самого діоду до дії імпульсної перенапруги. Відоме застосування одного або низки варисторів, з'єднаних послідовно та/або паралельно з резисторами [2, 16-18, 23, 24] для обмеження напруги мережі та її приймачів. Це застосування не набуло широкого поширення через малу потужність розсіювання варисторів, незважаючи на те. що струми деяких типів варисторів досягли 100000 ампер [22]. Відоме застосування комплексного зниження напруги, описаного в [16, 25]. Застосування включає захист входів і внутрішньої проводки приміщень та споруд з допомогою розрядників, діодів Зенера, L-C фільтрів, варисторів, демпферів R та керуючих елементів. Найбільшого поширення застосування знайшло у вигляді пристрою, описаного в [17]. Недолік застосування складність виконання захисту, велика вартість, мала надійність та мала пропускна здатність лінії передачі за потужністю. Сам пристрій є вразливим до перенапруг грозового та комутаційного характеру. Відоме застосування трансформаторів [19-21] для захисту трифазної мережі та її приймачів від перенапруг при грозових розрядах. Застосування містить проміжну обмотку, у якої лише частково компенсовані магнітні поля розсіювання у осьовому та радіальному напрямку обмотки. Через це таке застосування має недостатнє подавлення високовольтних імпульсів напруг. Відоме застосування автотрансформатора для захисту багатофазної мережі та їх приймачів від імпульсних перенапруг грозового характеру [19]. Недоліки застосування: неможливість подавити фазні перенапруги, частота яких рівна промисловій частоті мережі (50 Гц або 60 Гц), а додатне (в розумінні - не від'ємне) відхилення яких складає 10 %-70 % від номінального значення фазних напруг трифазної мережі. Такі перенапруги викликаються фазними короткими замиканнями на землю у розподільчих низьковольтних мережах, у яких обмотки живильного трансформатора виконані за схемами Y/Yo. Крім того, у цьому випадку напруги розподільчої мережі містять симетричні складові зворотної послідовності, які можуть стати причиною виходу з ладу машин змінного струму. Основний недолік застосування [19] полягає у неможливості обмеження фазних перенапруг, які приводять до виходу з ладу блоків живлення пристроїв перетворювальної техніки, засобів зв'язку, обчислювальної техніки, засобів управління важливих об'єктів у багатьох галузях виробництва, наприклад, у схемах живлення головних циркуляційних насосів АЕС. Це викликає затримку автоматичного ввімкнення резерву, що не припустимо. Цей недолік відноситься у однаковій мірі до всіх перерахованих аналогів засобів обмеження перенапруг, тому найближчого аналога (прототипу) не виявлено. У зв'язку із вказаними недоліками аналогів була поставлена задача: підвищити надійність роботи приймачів електричної енергії шляхом обмеження фазних перенапруг, наприклад, при фазних коротких замиканнях у багатофазній мережі для створення можливості зниження напруг 1 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на інших фазах мережі при автоматичному ввімкненні резерву, наприклад, при живленні важливих приймачів електричної енергії. Зазначимо, що одна фазна напруга у трифазної розподільчої мережі з нульовою фазою при фазному короткому замиканні зменшується до значення, близького до нульового, тому друга задача зводиться до забезпечення задовільного електропостачання двома іншими фазами у випадку фазного короткого замикання. Поставлені задачі розв'язані шляхом трансформації низького опору закороченої фази у інші незакорочені фази для зниження фазних перенапруг, а саме: Застосуванням стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, приєднаного допроміжного або кінцевого пункту мережі, вхід якої приєднаний до живильного трансформатора, як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі при несиметричному фазному навантаженні, при однофазному навантаженні, а також при фазному короткого замикання. Застосуванням стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, при якому стабілізатор фаз виконано у вигляді фільтрів струмів нульової послідовності. Застосуванням стабілізатора фаз обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, при якому фільтр струмів нульової послідовності виконаний за схемою, вибраною з ряду: зиґзаґ, лямбда, схема Скота, А-подібна схема, схема однофазних трансформатора та автотрансформатора. Застосуванням стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, при якому первинні обмотки живильного трансформатора мережі виконані за схемою зірки, а вторинні обмотки живильного трансформатора мережі ввімкнені за схемою зірки з нулем. Застосуванням стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, при якому первинні обмотки живильного трансформатора мережі виконані за схемою зірки, а вторинні обмотки живильного трансформатора мережі ввімкнені за схемою зірки з нулем. Застосуванням стабілізатора фаз обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі, при якому первинні обмотки живильного трансформатора виконані за схемою зиґзаґ з нулем, а вторинні обмотки живильного трансформатора ввімкнені за довільною схемою. Для кращого розуміння суті винаходу розглянемо креслення, подані на фіг. 1- фіг. 7. На фіг. 1 показана блок-схема трифазної розподільчої мережі без стабілізатора фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг. 2 подане топографічне зображення режиму трифазної розподільчої мережі без стабілізатора фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг. 3 показаний графік величини фазних напруг у проміжках часу: перед, під час та після фазного короткого замикання у розподільчій мережі без стабілізатора фаз. На фіг. 4 дана блок-схема розподільчої мережі із стабілізатором фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг. 5 представлене топографічне зображення стабілізатора фаз, виконаного у вигляді фільтру струмів нульової послідовності, обмотки якого ввімкнені у зиґзаґ. На фіг. 6 подане топографічне зображення режиму трифазної розподільчої мережі із стабілізатором фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг. 7 показаний графік величини фазних напруг у проміжках часу: перед, під час та після фазного короткого замикання у розподільчій мережі із стабілізатором фаз. На фіг. 1 позначено: Вх - високовольтний вхід мережі; РТ - живильний трансформатор мережі; Y/Yo - позначка схеми намотки обмоток трансформатора РТ; А, В, С, 0 - лінійні та нульова фази початку розподільчої мережі; A3, В3, С3, 03 - фази на виході мережі; Іа1, Ів1, Іс1, І01 - струми у фазах А, В, С, 0 відповідно при відсутності стабілізатора фаз; К1 та К2 - точки короткого замикання лінійної та нульової фаз відповідно. На фіг. 2 позначено: Еа3, Ев3, Ес3, Е0 - вузли електрорушійних сил у лінійних та нульовій фазі відповідно; Uа3 та Uв3 - фазні перенапруги виходу мережі. Решта позначень показана на фіг. 1. На фіг. 3 позначено: Uф - фазна напруга; Uа3, Uв3, Uc3 - фазні напруги виходу мережі у фазі A3, В3 та С3; t - час; с - секунда; t1(K3) - момент початку короткого замикання; t2(K3) момент встановлення короткого замикання. На фіг. 4 позначено: Іа, Iв, Іс, І0 - струми у фазах А, В, С, 0 лінії мережі відповідно після приєднання стабілізатора фаз; А2, В2, С2, 02 - точки з'єднання (вузли) приєднання стабілізатора фаз 1 до розподільчої мережі; Ікз - струм короткого замикання; 1- стабілізатор фаз; Zлo, Zлa, Zлв, Zлc - опори нульової фази 0 та лінійних фаз А, В, С відповідно; решта позначень збігається з позначеннями фіг. 1; На фіг. 5 позначення збігаються з позначеннями фіг. 4. 2 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 6 позначено: Еа, Ев, Ес, Е0 – потенціали електрорушійних сил трансформатора РТ; Uа3 та Uв3 – напруги фаз А3 та В3 на виході мережі після виникнення фазного короткого замикання. На фіг. 7 позначено: 80 %-90 % - граничні значення фазних напруг після виникнення фазного короткого замикання у мережі, обладнаної стабілізатором фаз; решта позначень збігаються з позначеннями на фіг. 3 та фіг. 6. Склад і будова розподільчих багатофазних мереж з нульовою фазою. Розглянемо будову розподільчої мережі без стабілізатора фаз. Така мережа (фіг. 1) складається з високовольтного входу Вх, живильного трансформатора розподільчої мережі РТ, лінії мережі А-А3, В-В3, С-С3 та затискачів виходу A3, В3, С3, 03. Високовольтний вхід Вх приєднаний до первинних обмоток трансформатора РТ. Первинні та вторинні обмотки з'єднані між собою за схемою зірка-зірка з нулем (Y/Yo). Початок лінії розподільчої мережі позначений А, В, С, 0 і приєднаний до виходу живильного трансформатора РТ, а кінець лінії розподільчої мережі приєднаний до затискачів виходу лінії A3, В3, С3, 03. Будова розподільчої мережі з приєднаним стабілізатором фаз показана на фіг. 4. Особливістю цієї лінії є те, що до неї у пункті А2, В2, С2, 02 приєднаний стабілізатор фаз 1. Стабілізатор фаз 1 виконаний за однією з схем фільтру струмів нульової послідовності: зиґзаґу, лямбди, схеми Скота, А-подібної схеми, схеми однофазних трансформатора та автотрансформатора. На фіг. 5 показане топографічне зображення фільтру струмів нульової послідовності, виконаного за схемою зиґзаґ. Такий стабілізатор фаз дає можливість обмежувати фазні перенапруги як у робочому діапазоні, так і в аварійному діапазоні струмів. Розподільча мережа, виконана багатофазною, наприклад, трифазною і з нульовою фазою. Але вона може бути виконана п'ятифазною, шестифазною, семифазною і т. і. У однаковій мірі запропоноване застосування відноситься до низьковольтних та високовольтних мереж, з нульовою фазою і без неї. Запропоноване застосування стосується в однаковій мірі до низьковольтних та високовольтних мереж, з нульовою фазою і без неї. Стабілізатор фаз 1 виконаний у вигляді фільтру струмів нульової послідовності (фіг. 5), приєднаного до проміжного або кінцевого пункту мережі. Обмотки живильного трансформатора мережі ввімкнені за схемою зірка-зірка з нулем. З метою зменшення несиметрії та вищих гармонік живильний трансформатор РТ може бути суміщеним з обмотками другого стабілізатора фаз. При суміщення стабілізатора фаз із вторинними обмотками живильного трансформатора РТ стабілізатор фаз може бути виконаним у вигляді другого фільтру струмів нульової послідовності. І у цьому випадку фільтр струмів нульової послідовності може бути виконаним за схемою, вибраною з ряду: зиґзаґ, лямбда, схема Скота, А-подібна схема, схема однофазних трансформатора та автотрансформатора. У першому з варіантів застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі може бути використаний живильний трансформатор, у якого первинні обмотки виконані за схемою зірки з нулем. У другому варіанті застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі може бути використаний живильний трансформатор, у якого первинні обмотки виконані за схемою зірки, а вторинні обмотки ввімкнені за схемою стабілізатора фаз, зокрема зиґзаґу з нулем. У третьому варіанті застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг багатофазної мережі може бути використаний живильний трансформатор, у якого первинні обмотки виконані за схемою стабілізатора фаз, зокрема за схемою зиґзаґу з нулем, а вторинні обмотки ввімкнені за довільною схемою. В четвертому варіанті застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг обмотки стабілізатора фаз разом із первинними обмотками живильного трансформатора РТ можуть бути ввімкнені або у схеми трикутника або багатокутника. При цьому вторинні обмотки живильного трансформатора можуть бути ввімкнені або у зірку, або за схемою фільтра струмів нульової послідовності, вибраною з указаного ряду. Причини виникнення фазних перенапруг, наприклад, при фазному короткому замиканні. Відомо, що при фазному несиметричному навантаженні, у тому числі і однофазному навантаженні, зокрема у навантаженій фазі С3 (фіг. 1 – фіг. 3) виникає від'ємне відхилення фазної напруги Uc3. Одночасно у двох інших фазах А3 та В3 мережі без стабілізатора фаз виникають фазні перенапруги Uа3 та Uв3, які характеризуються додатними відхиленнями фазної напруги. При номінальному значенні однофазного навантаження або струму, величини яких складають 33 % від встановленої потужності або струму, вказаних у технічному паспорті трансформатора, напруга Uc3 у фазі С3 знижується на 29 %-30 %, а у фазах А3 та В3 3 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зростають на 12 %-14 %. Зазначимо, що допустиме відхилення напруг обмежене нормами стандартів, таких як Національний стандарт РФ ГОСТ Р 54149-2010 та Стандарт Європи ЕN 50160-94, де вказано, відхилення фазних напруг повинне бути у межах ±10 %. Тому без приєднання стабілізатора фаз така розподільча мережа не може використовуватися при однофазних навантаженнях, якщо його потужність перевищує 30 % від номінального значення, оскільки при цьому виникає від'ємне відхилення напруг, яке менше за -10,0 %, що також порушує норми національного та міжнародних стандартів. Для кращого сприйняття особливостей електромагнітних процесів при фазному короткому замиканні мережі при дії стабілізатора фаз та без нього увесь діапазон зміни струму однофазного навантаження поділений на дві частини. У першій частині діапазону залежності фазних напруг мережі від зміни струму однофазного навантаження від 0 до номінального значення, прийнятого за 1,0 (Інн=1,0). У другій частині діапазону залежності фазних напруг мережі від струму однофазного навантаження при зміні його від номінального значення (1,0) до струму короткого замикання. Із збільшенням струму навантаження фази С3 її фазна напруга Uc3 стрімко знижується до нуля у точці короткого замикання І кз. У противагу цьому фазні напруги Uа3 та Uв3 різко зростають до 145 %-170 %. При струмі короткого замикання Ікз відхилення фазних напруг досягає 45 %-70 %, а допустиме значення відхилення напруг при цьому становить 10 %. При такому 4,5-кратному або 7-кратному збільшенню фазних напруг кожен із приєднаних приймачів може вийти з ладу за лічені секунди. У сільських мережах часто бувають випадки, коли через невеликі струми короткого замикання захист мережі не може їх завчасно відключити, тому час перебування приймачів під перенапругою 45 %-70 % залишається невизначеним і небезпечним. Такі фазні перенапруги становлять велику небезпеку і стають причиною виходу з ладу всього дорогого обладнання, приєднаного до розподільчої мережі загального призначення. Заявлене застосування стабілізатора фаз дає можливість уникнути фазних перенапруг як у робочому, так і аварійному діапазонах. Після приєднання стабілізатора фаз до мережі, фазні напруги виходу мережі позначимо Uа3(сф), Uв3(сф) та Uc3(сф), а струм – за Інн(сф). У цьому випадку графіки залежності фазних напруг від однофазного струму наведені суцільними потовщеними лініями. Із фіг. 6-7 видно, що відхилення фазних напруг Uа3(сф) та Uв3(сф) у робочому та нульовому діапазонах не перевищують допустимого значення, встановленого стандартами на якість електричної енергії. Помітимо, що третя фазна напруга Uc3(сф) у фазі С3 теж проявляє стабілізуючі властивості досягаючи нульового значення при струмі короткого замикання Ікз(сф), який у 1,5 рази перевищує струм Ікз короткого замикання при відсутності стабілізатора фаз у схемі мережі. Найбільшу небезпеку становлять короткі замикання фазних проводів на землю. При появі фазного короткого замикання, наприклад, між лінійною фазою С та нульовою фазою 0 (фіг. 1) фазна напруга Uc3 між фазами 0 та С на виході A3, В3, С3, 03 лінії розподільчої мережі миттєво зменшується до нуля, а фазні напруги Uа3 та Uв3 фаз А та В збільшуються порівняно з номінальним значенням на величину від 10 % до 70 %. При цьому фазні напруги Uа3 та Uв3 можуть досягати значень лінійної напруги. Тривала дія таких перенапруг може привести до виходу з ладу машин змінного струму, освітлювальної техніки, контролерів, обчислювальної техніки, електромеханічних та напівпровідникових вимикачів, засобів зв'язку, засобів захисту та сигналізації, і т.і… Причиною виникнення вказаних перенапруг є зміщення потенціалу нульової фази 03 по відношенню до потенціалу лінійних фаз А, В та С (фіг. 2). Таке зміщення виникає під дією струму фазного короткого замикання Ікз, який протікає по нульовій фазі 0 та лінійній фазі С трансформатора та лінії розподільчої мережі. Струм короткого замикання Ікз викликає значні падіння напруги у вторинній обмотці фази С трансформатора РТ завдяки наявності значних полів розсіювання магнітного потоку нульових послідовностей. Фази 03 та С3 під час короткого замикання прямують одна до одної і потому (після того) зливаються (співпадають на топографічному зображенні фіг. 2; точки 03 та С3). При цьому злиті в одну фазу фази 03 та С3 зміщуються на топографічному зображенні і приймають положення, показане на фіг. 2. Через це фазна напруга Ua3 зростає від 10 % до 70 %; фазна напруга Uв3 зростає від 10 % до 40 % і більше. Вказане розпорошення значень перенапруг залежить від розташування пункту короткого замикання по відношенню до місцезнаходження розподільчого трансформатора РТ. Чим ближче до трансформатора РТ знаходиться пункт короткого замикання, тим більша величина фазних перенапруг. Тобто рівень перенапруг залежить від сумарної величини опорів проводів фаз лінійного та нульового проводу лінії розподільчої мережі, наприклад, Zлa та Zл0 та опорів короткого замикання живильного трансформатора РТ. 4 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 При малих значеннях опорів Zлa та Zл0 або малій віддаленості пункту К1-К2 від трансформатора РТ рівень перенапруг більший. Із розташування вузлів A3, В3 та С3 на комплексній площині топографічного зображення фіг. 2 та графіка фіг. 3 видно, що: - після короткого замикання фазні напруги Uа3 та Uc3 збільшуються понад допустимі стандартами значення у 4,5 – 7 раз; позитивні відхилення фазних перенапруг у фазах А3 та В3 становлять 45 %-70 %; потенціал Е0 нульової фази 0 (що мало місце до короткого замикання) після короткого замикання змістився у положення 03; зміщення нейтралі досягає 45 %-80 %; потенціал Еа лінійної фази A3, що мало місце до короткого замикання, після короткого замикання змістився у положення A3; потенціал Ев лінійної фази В3, що мало місце до короткого замикання, після короткого замикання змістився у положення В3; потенціал Ес лінійної фази С3, що мало місце до короткого замикання, після короткого замикання змістився у положення С3. При віддалених коротких замиканнях кратність перенапруг порівняно з номінальним значенням дещо знижується. У більшості випадків експлуатації розподільчих мереж рівень фазних перенапруг при фазних коротких замиканням складає біля 45 %. Тривалі фазні перенапруги становлять небезпеку для всіх без винятку приймачів електричної енергії. Фазні перенапруги перешкоджають швидкому гасінню дуги на вимикачах та перемикачах. При відсутності фазних перенапруг процес гасіння дуги у комутуючих вимикачах не підтримується напругою, тому при переході струму через нульове значення електрична дуга гасне. При наявності фазної перенапруги дуга продовжує горіти і затягує процес перемикання джерел живлення. Це негативно впливає на ряд важливих приймачів електричної енергії, наприклад, на головні циркуляційні насоси. Властивість стабілізатора фаз подавляти несиметричні перенапруги. Для обмеження або зменшення перенапруг, які з'являються під час фазних коротких замикань (зокрема на землю) нами запропоновано використати властивість стабілізатора фаз, а саме: зв'язувати режими всіх фаз багатофазної мережі, у тому числі багатофазної мережі з нульовою фазою. Ідея полягає у поширенні струмів фазного короткого замикання, яке виникло, наприклад, у фазі С на дві інші фази А та В, і т.і… При цьому стабілізатор фаз 1, який приєднаний до розподільчої мережі, що живиться від трансформатора РТ, обмотки якого ввімкнені за схемою Y/Yo, виконаний у вигляді фільтру струмів нульової послідовності. Стабілізатор фаз 1 трансформує низький опір фазного короткого замикання у три фази, збільшуючи у півтора рази опір у фазі С і вносячи трикратне значення опору короткого замикання у фази А та В. Опір петлі короткого замикання Zкз(C, K1K2), викликаний коротким замиканням у пункті К1-К2, позначимо для скорочення як Zкз (фіг. 4): Zкз= Zкз(C, K1-K2) (1) Завдяки тісному магнітному зв'язку між фазами стабілізатора фаз 1 опір короткого замикання Zкз у пункті короткого замикання К1-К2 вказаним стабілізатором фаз 1 трансформується у три опори трьох петель Zкз(C), Zкз(A), Zкз(B). Zкз(A) = 3*Zкз; (2) Zк (B) = 3*Zкз; (3) Zкз(C) = 3*Zкз/2 (4) Це означає, що введення стабілізатора фаз на третину зменшує струм короткого замикання у проводі фази С А у проводах фаз А та В з'являються третини струмів короткого замикання Zкз. Максимальний струм фазного короткого замикання живильного трансформатора РТ визначається величиною його опорів; оскільки опори стабілізатора фаз 1 у декілька разів (4-8 разів) менші опорів трансформатора РТ, то розрахункова формула враховує лише опори трансформатора РТ: 2 2 1/2 Ікз =3*Uф/((Х1рт+Х2рт+Х0рт) +(R1pт+R2pт+R0pт) ) ,………(5) де: Х1рт, Х2рт, Х0рт та R1pт, R2pт, R0pт - реактивні та резистивні складові симетричних складових опорів прямої, зворотної та нульової послідовностей відповідно. З врахуванням виразів (2)-(5) струми короткого замикання на виході трансформатора РТ при трансформації їх стабілізатором фаз становлять: Ікз(А) = - Ікз/3; (6) Ікз(В) = -Ікз/3; (7) Ікз(С) = 2*Ікз/3; (8) (9) Ікз(0)  0 5 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Для порівняння покажемо фазні струми короткого замикання по фазах при відсутності стабілізатора фаз 1: Ікз(А) = 0; (10) Ікз(В) = 0; (11) Ікз(С) = Ікз; (12) Ікз(0) = - Ікз (13) Отже із виразів (6)-(13) можна зробити фундаментальні висновки про те, що при приєднанні стабілізатора фаз 1: - струми короткого замикання проходять не тільки по фазі С трансформатора РТ, а і по фазах А та В; - при приєднанні стабілізатора фаз до мережі різко зменшується (у 4-5 разів) струм короткого замикання у проводі нульової фази; - струм короткого замикання у фазі С зменшується на третину Ікз, а потужність нагрівання зменшується більш ніж на половину, що позитивно впливає на надійність роботи комутаційної апаратури; - струми короткого замикання у фазах А та В лінії мережі зростають на третину струму Ікз; - перерозподіл струмів короткого замикання у фазах А. В, С та 0 трансформатора РТ здійснений стабілізатором фаз 1; - завдяки перерозподілу струмів короткого замикання у трансформаторі РТ у фазах А та В виникають додаткові падіння напруг, які також обмежують фазні перенапруги на рівнях, які не перевищують номінальне значення фазних напруг; - обмеження фазних перенапруг досягнуте завдяки приєднанню стабілізатора фаз. Робота розподільчої лінії при застосуванні стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг (фіг. 4). При подачі напруги на вхід А, В, С, 0 розподільчої лінії, яка живиться від трансформатора РТ розподільчої мережі, обмотки якого ввімкнені за схемою Y/Yo, при відсутності фазних коротких замикань на вихід A3, В3, С3, 03 розподільчої лінії подається симетрична система фазних та лінійних напруг. У випадку, якщо до виходу приєднаний крупний однофазний приймач електричної енергії, потужність якого співмірна з потужністю живильного трансформатора РТ (фіг. 1), то стабілізатор фаз 1 (фіг. 4) перерозподіляє струми такого приймача так, що: - струм у нульовій фазі зменшується майже до нульового значення; - струм у лінійній фазі, приєднаній до вказаного крупного приймача, зменшується майже на третину; - струм у інших двох лінійних фазах, не приєднаних до крупного приймача, збільшується на 20 %-30 %, що зменшує втрати у цілому по мережі та живильному трансформаторі; - указаний розподіл струмів крупного приймача аналогічний із перерозподілом струмів короткого замикання; - фазні та лінійні напруги виходу A3, В3, С3, 03 розподільчої лінії згідно умов експлуатації знаходяться у межах ±10 % від номінальних значень (фіг. 7, у проміжку часу від 0 до t1 (К3)). При виникненні фазного короткого замикання, наприклад, у фазі С у момент часу t1(K3) фазна напруга Uc3 фази С починає зменшуватися і у момент t2(K3) встановлення фазного короткого замикання досягає нульового значення (фіг. 6 та фіг. 7). При цьому фазні напруги Ua3 та Uв3 у фазах А та В не тільки не збільшуються (фіг. 7), як це має місце на фіг. 3 при відсутності стабілізатора фаз, а навпаки, стають меншими номінального значення (фіг. 7). Ступінь зменшення фазних перенапруг залежить від співвідношення опорів нульової послідовності трансформатора РТ та стабілізатора фаз 1: при зростанні вказаного відношення приблизно від трьох і вище обмеження фазних перенапруг посилюється; при зменшенні вказаного відношення приблизно від трьох і нижче обмеження фазних перенапруг послаблюється. Ступінь зменшення фазних перенапруг стабілізатором фаз значно залежить від розташування пункту виникнення фазного короткого замикання вздовж лінії мережі. При збільшенні опорів лінії Zла, Zлв, Zлс, Zл0 - фазні напруги зменшуються. Причиною появи фазних перенапруг, як вказувалось, є зміщення потенціалів нульової фази 03 (нейтралі) та лінійної фази С3 (фіг. 6). Топографічне зображення фіг. 6 експериментальним шляхом при умові (14) Zла=Zлв=Zлс=Zл0=0, (14) де: Zлa. Zлв, Zлc та Zл0 - опори проводів лінійних та нульової фаз лінії мережі. Оскільки потенціали Е3 та 03 зливаються, то (15) Ua3Uа30,85*Uфн, 6 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де Uфн - номінальне значення фазної напруги. Отже при фазному короткому замиканні фазні напруги лінії мережі принаймні на 15 % менші номінального значення при умові (14). Нагадаємо, що умова (14) передбачає безпосередню близькість пункту короткого замикання до місця знаходження живильного трансформатора. Якщо пункт виникнення фазного короткого замикання розташований у проміжній точці лінії мережі, або у її кінці, то (16) Zла=Zлв=Zлс=Zл0=Zл0 Експериментальні випробування при Zл=2,5 % номінального опору навантаження лінії дали приблизно однакові результати (15) при умовах (14) та (16). Особливість стабілізатора фаз полягає у тому, що його фундаментальні властивості проявляються у більшій мірі лише при окремому його використанні. При суміщенні його з трансформатором його окремі властивості можуть зникати через порушення умов взаємної компенсації намагнічуючих та розмагнічуючих сил або через виникнення осьових або радіальних складових магнітних полів розсіювання. Типовим представником стабілізатора фаз, окремі властивості якого можуть зникати при суміщенні його з трансформатором, є другий фільтр струмів нульової послідовності, суміщений з вторинними обмотками трансформатора РТ. Окремо використовуваний перший фільтр струмів нульової послідовності 1 (фіг. 4) має властивість обмежувати фазні перенапруги, викликані фазними короткими замиканнями. А другий фільтр струмів нульової послідовності, суміщений з вторинними обмотками трансформатора РТ, втратив властивість обмежувати фазні перенапруги, викликані фазними короткими замиканнями. Застосування стабілізатора фаз як обмежувача фазних перенапруг при несиметрії фазних навантажень та/або фазному короткому замиканні. Звернемо увагу на те, що у даному описі ми зосередили увагу на однофазному короткому замиканні через те, що при цьому обмеження відхилення напруг досягає максимуму 86,6 %, що недосяжне іншими способами. Але основна користь такого замикання, яке трапляється рідко. Основну корисність полягає у компенсації відхилень напруг від номінального значення, зо зменшує коливання напруг (миготіння ламп освітлення), усунення пульсацій обертового моменту валу двигунів, зниження вібрації та шуму підшипників і т. п. Крім того, застосування стабілізатора фаз миттєво відновлює електропостачання при обривах лінійної або нульової фази. На останній властивості зупинимося окремо. При виникненні фазного короткого замикання фазні напруги Ua3 та Uв3, як показали експерименти встановлюються на рівні 85 %-92 % від номінального значення напруги мережі, а напруга Uc3 близька до нульового значення. При відключенні проводу фази С від живильного трансформатора та фази С2 від стабілізатора фаз параметрично відновлюється режим електропостачання на затискачах А3, В3 та С3. І таке відновлення електропостачання знову стало можливим через особливі властивості стабілізатора фаз. Властивості подавляти фазні перенапруги, а потім шляхом відключення фазного короткого замикання параметрично відновити якісне електропостачання за допомогою стабілізатора фаз ставлять його в число найбільш ефективних засобів підвищенняякості електричної енергії. Вказаний комплекс властивостей стабілізатора фаз ефективно підвищує живучість та надійність електропостачання. Ефективність та галузь застосування. Аналітичні та лабораторні дослідження підтвердили вище наведені властивості стабілізатора фаз - подавляти фазні перенапруги при фазних коротких замиканнях. Вище вказані властивості стабілізатора фаз проявляються не тільки у трифазних мережах з проводом нульової фази, але і в багатофазних мережах, наприклад, шестифазних, виконаних з нульовим проводом і без нього. Винахід може бути використаний для живлення низьковольтних та високовольтних важливих приймачів електричної енергії, наприклад, атомних електростанцій, газоперекачуючих станцій, сільськогосподарських ферм, харчових складів, водопроводів, підприємств металургійної промисловості, медицини, зв'язку і т. і… які живляться від повітряних та/або кабельних ліній, виконаних, наприклад, із зшитого поліетилену, тобто для живлення електричного обладнання, режими яких несумісні із перенапругами. Джерела інформації: 1. Yamada S., Tanaka S., Shoji M., Motowaki S., Takahashi K., Shirakawa S., Oowada S., Yamazaki T. Method of fabricating non-linear resistor. Патент США № 5614138, МПК Н01В 1/06. Публ. 25.03.1997. 2. Carpenter R.B. MOV surge arrester. Патент США № 6808850, МПК Н02Н 1/00. Публ. 15.09.1998. 7 UA 106921 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 3. В. Mechanic. Transient voltage surge suppressor. Патент США № 6560086, МПК H02H 9/00. Публ. 06.05.2003. 4. H, -P.Stroebele, W.Meissner, U.Guenther, B.Hilgenberg, J.Reinhardt. Damping circuit for a twowire DUS system. Патент США № 6639774, МПК Н02Н 3/16. Публ. 28.10.2003. 5. F.Girard. Lightning arrestor device for high power electric installations. Патент США № 6657843, МПК H01C 7/12, H02H 3/20. Публ. 02.12.2003. 6. R.Proebsting. Overvoltage protection circuits that utilize capacitively bootstrapped variable voltages. Патент США № 6798629, МПК Н02Н 3/22. Публ.28.09.2004. 7. M.L.Hoopes. AC voltage protection circuit. Патент США № 6816350, МПК Н02Н. 3/24. Публ. 09.11.2004. 8. B.Epstein. Plug and circuitry for grounding AN element. Патент США № 7193837, МПК Н02Н 9/00. Публ. 20.03.2007. 9. Gerrish, et al. Zenner triggered overvoltage protection device. Патент США № 7196889, МПК Н02Н 9/00… Публ. 27.03.2007 10. Smith, et al. Over voltage protection scheme for synchronous buck converter. Патент США № 7254000, МПК Н02Н 9/00… Публ. 7.08.2007. 11. F. D'Alessandro. Lightning protection device and method. Патент США № 7265961, МПК Н02Н 1/00). Публ. 04.09.2007. 12. Covi, et al. Over-voltage protection for voltage regulator modules of a parallel power system. Патент США № 7298601, МПК Н02Н 9/00. Публ. 20.11.2007. 13. H.Fischer, J.Lindolf, M.B.Sommer. Integrated circuit with electrostatic discharge protection. Патент США № 7317603, МПК Н02Н 9/00. Публ. 8.01.2008. 14. J.M.Hopkins. Electrical surge protection using in-package has discharge system. Патент США № 7349189, МПК H02H 9/00… Публ. 25.03.2008. 15. P.L.Lehuede. Protection for over tensions of industrial and home networks. Патент США №7283341, МПК Н02Н 9/00… Публ. 16.10.2008. 16. Goldbach, et al. Surge protection device with thermal protection, current limiting, failure indication. Патент США № 6477025, МПК Н05К 9/00. Публ. 05.11.2002. 17. А.Зоричев. Молниезащита: зоновая концепция. "Новости электротехники", 2008, № 3(27). www.news.elteh.ru. 18. Martin P.T. Lightning protection circuit for digital subscriber loop interface. Патент США № 4577255, МПК Н02Н 9/04… Публ. 18.03.1986. 19. Wang Jie. Power symmetrical anti-lightning energy-saving three phase transformer. Патент Китаю № 2739777, МПК H01F 30/12… Публ. 09.11.2005. 20. Shioda Hireshi. Transformer winding with phase-shifting winding. Патент Японії № 62224912, МПК H02M 5/14; H01F 30/12; H02M 5/02; H01F 30/06. Публ. 02.10.1987… 21. You Dagian. Lightning protection antiinterference capactive transformer. Патент Китаю № 1494094, МПК H01F 27/28; H01F 30/06. Публ. 05.05.2004. 22. Carpenter R.B. Encapsulated MOU surge arrester for with standing ower 100,000 amps of surge pen doc. Патент США № 5936824, МПК Н02Н 9/04. Публ.10.08.1999. 23. Bennet J.A., Robinson W.M., Mattis J.S., Cooper C.F. Surge arrester having ridged terminals. Патент США № 5818677, МПК Н02Н 1/00. Публ.06.10.1998. 24. Pilschikow V.Y., Podporkin G.V., SivaevA.D. Impulse lighting arrester and columns for power lines. Патент США №6912111, МПК Н01С7/12. Публ.28.06.2005. 25. Makanda С. Lightning arrester device for low-voltage network. Патент США № 6930871, МПК Н02Н 1/00. Публ. 16.08.2005. 26. Durth R., Wetter M. Surge suppressor. Патент США № 7532450, МПК Н02Н 1/04, H02H 3/22, H02H 9/06. Публ. 12.05.2009. 27. Gramespacher H., Hagemeister P., Kluge-Weiss P., Greuter F., Donzel L, Kessler R. Nonlinear electrical material for high and medium voltage applications. Патент США №7651636, МПК Н01С 7/10. Публ. 26.01.2010. 28. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Застосування багатофазного, наприклад, трифазного автотрансформатора та/або трансформатора як пристрою для захисту багатофазної, наприклад, трифазної мережі та її приймачів (варіанти). Патент України на винахід № 90938. МПК Н02Н 9/00, Н02Н 1/00, Публ. 10.06.2010, Бюл. №11. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Застосування стабілізатора фаз, приєднаного до проміжного або кінцевого пункту багатофазної мережі, вхід якої приєднаний до живильного трансформатора, як обмежувача 8 UA 106921 C2 5 10 15 фазних перенапруг багатофазної мережі при несиметричному фазному навантаженні, при однофазному навантаженні, а також при фазному короткому замиканні. 2. Застосування стабілізатора фаз за п. 1, при якому стабілізатор фаз виконано у вигляді фільтра струмів нульової послідовності. 3. Застосування стабілізатора фаз за п. 2, при якому фільтр струмів нульової послідовності виконаний за схемою, вибраною з ряду: зиґзаґ, лямбда, схема Скота, А-подібна схема, схема однофазних трансформатора та автотрансформатора. 4. Застосування стабілізатора фаз за одним із пп. 1-3, при якому первинні обмотки живильного трансформатора мережі виконані за схемою зірки, а вторинні обмотки живильного трансформатора мережі ввімкнені за схемою зірки з нулем. 5. Застосування стабілізатора фаз за одним із пп. 1-3, при якому первинні обмотки живильного трансформатора ввімкнені за схемою зірки, а вторинні обмотки живильного трансформатора ввімкнені за схемою зиґзаґ з нулем. 6. Застосування стабілізатора фаз за одним із пп. 1-3, при якому первинні обмотки живильного трансформатора ввімкнені за схемою зиґзаґ з нулем, а вторинні обмотки живильного трансформатора ввімкнені за довільною схемою. 9 UA 106921 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10