Застосування стабілізатора фаз, зокрема фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі, зокрема, при коротких замиканнях у лінії багатофазної мережі

Реферат: Винахід належить до електроенергетики та електротехніки і призначений для параметричної стабілізації потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі при експлуатаційних фазних коротких замиканнях лінійних фаз на землю або при металевому (глухому) фазному короткому замиканні у низьковольтних та високовольтних мережах та може використовуватись при міжфазних коротких замиканнях з тією ж метою. Застосування стабілізатора фаз, зокрема фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі, зокрема, при коротких замиканнях у лінії багатофазної мережі засноване на двох принципах: зменшення струму у проводі нульової фази на порядок та на перерозподілі струмів у проводах лінійних фаз у відношенні (-1): (-1): (+2). Таке застосування має можливості для подальшого зменшення у 20-30 разів потенціалу нульової фази при фазному короткому замиканні. Це застосування дає позитивний ефект при таких видах коротких замикань: однополюсному, двополюсному та триполюсному з неоднаковими по струмах фазних коротких замиканнях на землю або при металевих (глухих) фазних коротких замиканнях; при фазних та міжфазних коротких замиканнях, які супроводжуються електричною дугою. Застосування дає можливість приєднати до контуру заземлення трансформатора МТ такі види нульових фаз: робочу нульову фазу; захисну нульову фазу; нульову фазу логічного нуля. Застосовувати UA 107509 C2 (12) UA 107509 C2 винахід доцільно в мережах, які живлять важливі приймачі електричної енергії, устатковані засобами аналогової та цифрової електронної техніки, роботизовані виробництва, технологічні лінії, АЕС, зокрема приймачі електричної енергії, оснащені значною кількістю периферійних засобів комп'ютерної техніки. UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування стабілізатора фаз, зокрема, фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі належить до електроенергетики та електротехніки. Вказаний стабілізатор фаз призначений для використання у багатофазних, наприклад, трифазних низьковольтних та високовольтних мережах. Областями застосування стабілізатора фаз, зокрема, фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі є: електричні мережі з кількістю лінійних фаз, рівною або більшою трьох; фазні та міжфазні короткі замикання у мережі; обрив проводу лінійної або нульової фази; обрив заземлюючого провідника; захист аналогової та цифрової електронної техніки від експлуатаційних порушень якості електричної енергії; запобігання враження персоналу електроустановок напругою дотику та кроковою напругою, а також підвищення пожежної безпеки. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як пристрою для симетрування фазних напруг розподільної трифазної мережі [1-8] при приєднанні до неї однофазних приймачів електричної енергії. За даним призначенням фільтри струмів нульової послідовності застосовуються у трифазних розподільних мережах при коефіцієнтах несиметрії напруг за нульовою послідовністю, величина яких не перевищує 5-12 %. В аварійних режимах, наприклад, при фазних коротких замиканнях значення вказаного коефіцієнта досягає 100 %. При таких значеннях вказаного коефіцієнта несиметрії напруг властивості фільтра струмів нульової послідовності не були відомі і тому такий фільтр не був застосований для стабілізації потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі. Відоме застосування фільтру струмів нульової послідовності як фільтру вищих гармонік фазних напруг та лінійних струмів розподільчої мережі [9-12]. Недолік застосування: відсутність відомостей про інші застосування фільтру струмів нульової послідовності, зокрема про стабілізацію потенціалу нульової фази. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як компенсатора підмагнічування стрижнів силових трансформаторів квазі постійними струмами, які виникають при геомагнітних бурях у трифазних мережах з глухозаземленою нейтраллю [13,14]. Недолік застосування: відсутність відомостей про інші застосування фільтра струмів нульової послідовності, наприклад, про стабілізацію потенціалу нульової фази мережі. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як компенсатора коливань напруг [15-17]. Це застосування також не вказує на можливість використання фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази мережі. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як засобу захисту від грозових імпульсів [18]. І у цьому застосуванні також відсутні відомості про можливість використання фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази мережі. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік як перетворювача параметрично врівноважених несиметричних систем трифазних напруг та струмів у симетричні врівноважені симетричні системи трифазних напруг та струмів, і навпаки [19]. І у цьому застосуванні об'єм домагань патенту обмежений тільки вказаним застосуванням і не пов'язаний відомостями про можливість використання фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази мережі. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як пристрою для короткочасного або нетривалого створення резервної фази при переключеннях фідерів та при регулюванні напруг трифазної мережі [20-22]. І у цих аналогах відсутні відомості про можливість використання фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази мережі. Відоме застосування фільтра струмів нульової послідовності як пристрою для покращання режиму роботи контуру заземлення підстанції [23-25]. У цих аналогах відсутні відомості про можливість використання фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази мережі на рівні потенціалу землі. Відоме застосування контуру заземлення для стабілізації потенціалів робочих, захисних та логічного нуля нульових фаз трифазної мережі на рівні потенціалів землі при коротких замиканнях [1-25]. Недолік такого застосування - поява у нульовій фазі споживачів та мережі при фазних коротких замиканнях змінної напруги, прикладеної між землею та проводом нульової фази. Ця напруга є загрозою для персоналу, сторонніх громадян та всіх видів електрообладнання. Основний недолік застосувань [1-25] полягає у неможливості досягнення стабілізації потенціалу нульової фази у лінії мережі та у лінії споживача при появі однополюсних, 1 UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 двополюсних та триполюсних незбалансованих по струму фазних коротких замиканнях, 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 керування та живлення головних циркуляційних насосів АЕС. Це викликає затримку автоматичного ввімкнення резерву, що не припустимо. Цей недолік належить однаковою мірою до всіх перерахованих аналогів засобів стабілізації потенціалу нульової фази мережі при фазних коротких замиканнях. Патентний пошук показав, що найближчого аналога (прототипу) не виявлено. У зв'язку із вказаними недоліками аналогів була поставлена задача: підвищити надійність роботи приймачів електричної енергії при фазних та міжфазних коротких замиканнях у багатофазній мережі шляхом взаємної компенсації зміщень потенціалу нульової фази відносно землі. Поставлена задача розв'язана шляхом взаємної компенсації зміщень потенціалу нульової фази відносно землі, а саме: Застосуванням стабілізатора фаз, зокрема, фільтра струмів нульової послідовності як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі, зокрема, при коротких замиканнях у лінії багатофазної мережі; Застосуванням стабілізатора фаз при одному фазному короткому замиканні на землю або при одному металевому (глухому) фазному короткому замиканні; Застосуванням стабілізатора фаз при двох неоднакових по струму фазних коротких замиканнях на землю або при двох неоднакових по струму металевих (глухих) фазних коротких замиканнях; Застосування стабілізатора фаз при трьох неоднакових по струму фазних коротких замиканнях на землю або при трьох неоднакових по струму металевих (глухих) фазних коротких замиканнях; Застосування стабілізатора фаз при одному або двох неоднакових по струму міжфазних коротких замиканнях. Застосуванням стабілізатора фаз при вказаних коротких замиканнях, які супроводжуються електричною дугою; Застосуванням стабілізатора фаз, при якому стабілізатор фаз приєднаний до пункту лінії електропередачі, розташованому у межах від середини вказаної лінії до її приймального кінця, наприклад, у кінці цієї лінії; Застосуванням стабілізатора фаз, при якому декілька стабілізаторів фаз приєднані до різних пунктів лінії електропередачі; Застосуванням стабілізаторафаз, при якому його схема вибрана з ряду: зиґзаґ, лямбда, схема Скотта, А-подібна схема, схема однофазних трансформатора та автотрансформатора, схема з однією або трьома третинними обмотками; схема, яка містить обмотки, з'єднані у трикутник; суміщений двигун; суміщений генератор; сніжинка, зірка Давида; Застосуванням стабілізатора фаз як стабілізатора потенціалу захисного нульового проводу; Застосуванням стабілізатора фаз як стабілізатора потенціалу проводу логічного нуля; Застосуванням стабілізатора фаз як стабілізатора потенціалу нульової фази при обриві проводу нульової фази мережі або заземлюючого провідника. Для кращого розуміння суті винаходу розглянемо креслення, подані на фіг.1-фіг.12. На фіг. 1 показана блок-схема розподільної мережі без стабілізатора фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг.2 подане топографічне зображення режиму трифазної розподільної мережі без стабілізатора фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг.3 показані графіки напруги між нульовою фазою та віддаленою землею у залежності від струму короткого замикання та опору петлі нуль-фаза. На фіг.4 дана блок-схема багатофазної розподільної мережі із стабілізатором фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг.5 дана блок-схема трифазної розподільної мережі із стабілізатором фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг.6 представлене топографічне зображення стабілізатора фаз, виконаного у вигляді фільтра струмів нульової послідовності, обмотки якого ввімкнені у зиґзаґ. На фіг.7 подане топографічне зображення режиму трифазної розподільчої мережі із стабілізатором фаз при внесеному фазному короткому замиканні. На фіг.8 показаний графік напруги між нульовою фазою та віддаленою землею у залежності від струму короткого замикання та опорів петлі нуль-фаза. 2 UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг.9 показане топографічне зображення падінь напруг на опорах лінійних фаз при глухому фазному короткому замиканні для ілюстрації принципу взаємної компенсації напруг зміщення потенціалу нульової фази. На фіг. 10 показане топографічне зображення розташування обмоток фільтра струмів нульової послідовності при глухому фазному короткому замиканні. На фіг. 11 показане топографічне зображення схеми заміщення фільтра струмів нульової послідовності (розташування ідеальних обмоток, а також їх активних та реактивних опорів). На фіг. 12 показане топографічне зображення розташування обмоток стабілізатора фаз, а також лінійних (А2, В2 та С2) та нульової (02) фаз трифазної мережі при міжфазному короткому замиканні між фазами В3 та С3. На фіг. 1 позначено: Вх - високовольтний вхід мережі; МТ - мережевий трансформатор; Y/Yo - позначка схеми виконання обмоток трансформатора МТ; А, В, С, 0 - лінійні та нульова фази початку розподільчої мережі; A3, В3, С3, 03 - фази на виході мережі; Іа1, Ів1, Іс1, I01 - струми у фазах А, В, С, 0 відповідно при відсутності стабілізатора фаз; Za, Zb, Zc, ZN - опори проводів лінійних та нульової фаз лінії мережі відповідно; Ікз - струм короткого замикання; К1 та К2 точки короткого замикання лінійної та нульової фаз відповідно; К - контур заземлення; ЕО потенціал пункту віддаленої землі; U(03-E0) - напруга між потенціалом нульової фази на виході лінії та потенціалом пункту віддаленої землі. На фіг.2 позначено: Еа, Ев, Ес - вузли електрорушійних сил у фазах А, В, С відповідно; Uа3 та Uв3 - фази виходу мережі; п. 1 та п. 2 - графіки залежності; решта позначень показана на фіг. 1. На фіг.3 позначено: Uф - номінальна фазна напруга мережі; Zo(пp) та Zс(пp) - опір петлі "фаза-нуль" між фазами 03 та A3 (два опори, кожен з яких враховує опори всіх ділянок лінії мережі та мережевого трансформатора МТ). На фіг.4 позначено: Zi та Zq - опори лінійних фаз і та q лінії багатофазної мережі при кількості фаз, більшій трьох; і3 та q3 - порядкові номери фаз виходу лінії мережі; 1 - стабілізатор фаз; решта позначень співпадає з позначеннями фіг. 1; На фіг.5 позначено: Za(пp) та ZB(пp) - приведені опори всіх ділянок лінійних фаз А та В відповідно, включаючи опір нульової фази 0 та опір прямої послідовності лінії мережі та мережевого трансформатора МТ; А2, В2, С2 та 02 - пункти приєднання стабілізатора 1 поблизу виходу (кінця) трифазної мережі; решта позначень співпадає з позначеннями фіг. 1 та фіг.4. На фіг.6 позначено: 2-7 - обмотки стабілізатора фаз 1, виконаного як фільтр струмів нульової послідовності; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.5. На фіг.7 позначення співпадають з позначеннями фіг. 1-фіг.2. На фіг.8 позначено: n3 - графік залежності між внесеним зміщенням нульової фази та віддаленою землею; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.3. На фіг.9 позначено: Хал та Ran, Хвл та Rвл, Хсл та Рсл, Хол та Рол - реактивні та активні складові приведених опорів Za(np), Ze(np), Zc(np) та Zo(np) відповідно, які враховують опори лінії мережі та трансформатора МТ; решта позначень співпадає з позначеннями фіг. 1 та фіг.5. На фіг. 10 позначено: р - позначка збільшення масштабу на 1-2 порядки, тобто у 10-100 разів, причому розширення масштабу прийняте для надання наочності розташування вузлів (фаз) на топографічному зображенні фіг. 10; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.5 та фіг.6. На фіг. 11 позначено: 8, 9, 10 - активні складові послідовного з'єднання обмоток 6 та 7, 4 та 5, 2 та 3 відповідно; 11, 13, 12 - реактивні складові послідовного з'єднання обмоток 6 та 7, 4 та 5, 2 та 3 відповідно; пунктирні стрілки вказують на початкове та кінцеве зміщення фаз А2, В2 та С2; решта позначень співпадає з позначеннями фіг.6. На фіг. 12 позначення співпадають з позначеннями фіг.5. Склад і будова багатофазних мереж із стабілізаторами фаз. Будова розподільчої мережі без стабілізатора фаз. Така мережа (фіг. 1) складається з високовольтного входу Вх, живильного трансформатора розподільчої мережі МТ, лінії мережі АА3, В-В3, С-С3 та затискачів виходу A3, В3, СЗ, 03. Високовольтний вхід Вх приєднаний до первинних обмоток трансформатора МТ. Первинні та вторинні обмотки з'єднані між собою за схемою зірка-зірка з нулем (Y/Yo). Початок лінії розподільної мережі позначений А, В, С, 0 і приєднаний до виходу живильного трансформатора МТ, а кінець лінії розподільної мережі приєднаний до затискачів виходу лінії A3, В3, С3, 03. Будова розподільної мережі з приєднаним стабілізатором фаз показана на фіг.4 та фіг.5. При кількості фаз виходу, більшій трьох, мережевий трансформатор ТМ, багатофазна лінія мережі та стабілізатор фаз виконуються також з кількістю фаз, більшій трьох (фіг.4). Більш детально розглянемо будову трифазної чотири провідної мережі фіг.5. Особливістю цієї лінії є 3 UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 те, що до неї у пункті А2, В2, С2, 02 приєднаний стабілізатор фаз 1. Стабілізатор фаз 1 виконаний за однією з схем фільтра струмів нульової послідовності, шість обмоток якого ввімкнені у зиґзаґ. Поняття "Стабілізатор фаз" ще недостатньо описане в електротехнічній літературі і тому потребує ряду пояснень. Стабілізатор фаз - електромагнітний пристрій, який містить магнітопровід та обмотки, облаштовані принаймні чотирма виводами фаз, потенціали трьох фаз яких не лежать на одній прямій площини комплексної змінної, причому між виводами фаз стабілізатора мають місце "тісні" міжфазні електромагнітні зв'язки, в яких виконується принцип рівності намагнічуючих та розмагнічуючих ампер-витків робочих струмів (на відміну від струмів намагнічування) та принцип взаємної компенсації радіальних та осьових складових магнітних полів розсіювання, а фази виводів мають обмежену на одиницю кількість ступенів свобод, наприклад, три. При симетрії режиму електричного кола, зокрема, трифазної мережі стабілізатор не споживає інших струмів, крім струмів намагнічування. Але при статичному або динамічному порушенні режиму трифазної мережі, наприклад, при короткому замиканні кількість свобод стабілізатора зменшується і він активно реагує на всі процеси трифазної мережі. Стабілізатор фаз є джерелом гарантованого живлення: у разі зникнення напруги у фазі мережі стабілізатор фаз створює штучну фазу, напруга якої приблизно дорівнює напрузі зниклої фази мережі; фазний кут напруги штучної фази приблизно дорівнює фазному кутові напруги зниклої фази; а потужність зниклої фази передається із діючих фаз багатофазного кола у стабілізатор фаз, наприклад автотрансформатор, а із стабілізатора фаз потужність передається у знеструмлений провід приймального кінця лінії мережі. Механічним аналогом стабілізатора фаз є обід колеса або обручі бочки які скріплюють положення шпиць або клепок. Аналогічно цьому стабілізатор фаз концентрує розташування фаз у межах годографу при дії обриву фази або короткому замиканні фази на землю. Механічним аналогом стабілізатора фаз з нульовою фазою є вісь колеса, обід та шпиці. "Стабілізатор фаз" є родовим поняттям. Підпорядкованими до нього є поняття: "фільтр струмів нульової послідовності", "автотрансформатори-багатокутники" або комбінації двох попередніх пристроїв. Схема виконання стабілізатора фаз може бути вибрана з ряду: зиґзаґ, лямбда, схема Скотта, А-подібна схема, схема однофазних трансформатора та автотрансформатора, схема з однією або трьома третинними обмотками; схема, яка містить обмотки, з'єднані у трикутник; суміщений двигун; суміщений генератор; сніжинка, зірка Давида з нулем і без нього та інші. Стабілізатор фаз може бути суміщений з трансформатором або машиною змінного струму (двигуном або генератором). На фіг.6 показане топографічне зображення фільтра струмів нульової послідовності, виконаного за схемою зиґзаґ. Розподільна мережа фіг.5 виконана трифазною з нульовою фазою. Але така мережа може бути виконана п'ятифазною, шестифазною, семифазною і т. і. з фазами А, В, С, …,і, …, q, 0 (фіг.4). Багатофазна мережа може бути виконана низьковольтною або високовольтною, з нульовою фазою або без неї. Стабілізатор фаз 1 на фіг.5 приєднаний до проміжного пункту мережі. Для кращої стабілізації потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі стабілізатор фаз приєднано до кінцевого пункту мережі. Причини виникнення зміщення потенціалу нульової фази відносно потенціалу землі при фазному короткому замиканні. При появі фазного короткого замикання, наприклад, між лінійною фазою С3 та нульовою фазою 03 (фіг. 1) фазна напруга Uc3 на виході A3, В3, С3, 03 лінії мережі миттєво зменшується до нуля, а фазні напруги Ua3 та Uв3 фаз А та В збільшуються порівняно з номінальним значенням на величину від 10 % до 70 %. Комплексні потенціали фаз 03 та СЗ вирівнюються і зливаються в одній точці 03,С3 на топографічному зображенні фіг.2. Припустимо, що комплексний потенціал віддаленої землі, зміщеної від місця короткого замикання або від контуру заземлення К мережевого трансформатора на 20м - 100м, не змінюється, дорівнює потенціалу землі і рівний нулю. Таке припущення є справедливим через те, що між проводом кожної фази та землею існує значна ємність "фаза-земля". Крім того, чутливість (рухливість) лінійної фази трансформатора, як правило, у 3-4 рази менша від чутливості його нульової фази. З врахуванням такого припущення можна вважати, що потенціал землі лежить у центрі правильного трикутника трифазних електрорушійних сил Еа, Ев та Ес трансформатора, тобто у точці Е0 (фіг.2). Напруга U(03-Е0) є різницею між потенціалом нульової фази у пункті 03 та потенціалом віддаленої землі Е0; цю різницю називають "зміщенням нейтралі", "зміщенням нульової фази", тощо. Відносне значення напруги U(03-Е0), поділене на номінальне значення фазної напруги Uф, є близьким до поняття "зміщення нейтралі"; у даному разі його краще назвати "абсолютним зміщенням нульової фази", оскільки таке зміщення враховує зміщення потенціалу контуру заземлення. Зміщення нейтралі обмежується нормами Міждержавного 4 UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стандарту ГОСТ 13109-97 на рівні 2 %. Абсолютне зміщення потенціалу нульової фази шкідливо діє на передачу даних у аналоговому та цифровому вигляді та викликає збої у роботі електронної техніки. Особливо слід відзначити негативний вплив такого зміщення на роботу нульової фази, яка має назву "логічний нуль". Така нульова фаза ("логічний нуль") застосовується у системі керування важливими об'єктами, наприклад, АЕС. На фіг.3 показані графіки залежності абсолютного зміщення нульової фази від величини струму короткого замикання Ікз та опору (Zo(np)+Zc(np)) петлі "фаза-нуль". Перший графік, позначений n1, характеризує залежність абсолютного зміщення потенціалу нульової фази при застосуванні мережевих трансформаторів, обмотки якого виконані за схемою Y/Yo, а графік n2 характеризує аналогічну залежність при застосуванні мережевих трансформаторів з обмотками Δ/Yo. Фазні короткі замикання можна поділити на однополюсні, двополюсні та триполюсні, а також на короткі замикання з однаковими та неоднаковими струмами коротких замикань. Найбільшу шкоду для всього електротехнічного устаткування приносять металеві (глухі) фазні короткі замикання та фазні короткі замикання на землю. Крім того, вони становлять небезпеку для обслуговуючого персоналу та порушують пожежну безпеку. Така небезпека виникає у мережах без стабілізаторів фаз. При застосуванні стабілізаторів фаз зникає зміщення нульової фази; разом з цим зникає комплекс загроз для електротехнічного персоналу та обслуговуючого персоналу, а також посилюється пожежна безпека. Це буде показано в наступному розділі. Види застосування стабілізатора фаз як стабілізатора потенціалу нульової фази на рівні потенціалу землі, наприклад, при коротких замиканнях у лінії багатофазної електропередачі. Зона захисту лінії мережі від зміщення нейтралі простягається від початку лінії до місця фазного короткого замикання. У загальному випадку стабілізатор фаз, який приєднано до багатофазної мережі, стабілізує потенціал проводу нульової фази мережі на рівні потенціалу землі у таких експлуатаційних режимах: при одному, двох або трьох неоднакових однофазних навантаженнях мережі; при одному фазному короткому замиканні на землю або при одному металевому (глухому) фазному короткому замиканні; при двох неоднакових по струму фазних коротких замиканнях на землю або при двох неоднакових по струму металевих (глухих) фазних коротких замиканнях; при трьох неоднакових по струму фазних коротких замиканнях на землю або при трьох неоднакових по струму металевих (глухих) фазних коротких замиканнях; при одному або двох неоднакових по струму міжфазних коротких замиканнях. при вказаних коротких замиканнях, які супроводжуються електричною дугою; при стабілізації потенціалу захисного нульового проводу; при стабілізації потенціалу проводу логічного нуля; при обриві проводу нульової фази мережі або заземлюючого провідника, зона активного захисту потенціалу нульової фази від фазних коротких замикань поширюється від мережевого трансформатора МТ до пункту К1-К2 виникнення короткого замикання; у більшості випадків застосування стабілізатор фаз приєднаний до пункту лінії електропередачі, розташованому у межах від середини вказаної лінії до її приймального кінця, наприклад, у кінці цієї лінії (при концентрації приймачів електричної енергії навколо виходу лінії мережі); для перекриття зонами активного захисту всієї траси лінії мережі встановлено декілька стабілізаторів фаз вздовж траси лінії мережі. Взаємна компенсація зміщення потенціалу нульової фази. При фазному короткому замиканні у мережі без стабілізатора фаз виникає зміщення потенціалу нульової фази відносно потенціалу землі. Це зміщення описується вектором, напрямок якого залежить від імені фази, наприклад, С, в якій сталось фазне коротке замикання (фіг.2). При двополюсному фазному короткому замиканні вектор зміщення нульової фази змінюється практично лише за фазним кутом, а при триполюсному фазному короткому замиканні вектор зміщення нульової фази зменшується. Отже при триполюсному короткому замиканні наступає взаємна компенсація вектора зміщення нульової фази. Тому у даному патенті стабілізація потенціалу проводу нульової фази досягнута шляхом взаємної компенсації зміщення потенціалу нульової фази, яке виконано перерозподілом струму короткого замикання по трьом фазам мережі. Вказаний перерозподіл досягнутий застосуванням стабілізатора фаз. Причиною відхилення потенціалу нульової фази від потенціалу землі є перш за все струм Іо у колі нульової фази. Звідси випливає перша умова стабілізації потенціалу нульової фази на рівні землі. 5 UA 107509 C2 Іo=0. 5 10 15 20 (1) У даному патенті для виконання умови (1) при виникненні струмів короткого замикання у проводі нульової фази мережі запропоновано використати стабілізатор фаз, зокрема фільтр струмів нульової послідовності, розмістивши його біля приймального кінця мережі. При застосуванні стабілізатора фаз діє принцип компенсації зміщення потенціалу нульового проводу на рівні потенціалу землі. На фіг.2 показано, що при короткому замиканні без стабілізатора фаз потенціал нульової фази 03 зміщується за напрямком вектора U((03-E0), початок якого знаходиться у центрі трикутника Еа-Ев-Ес, а кінець знаходиться у точці, позначеній 03,СЗ. Розглянемо ефект компенсації струму нульової фази. На фіг.5 показана блок-схема трифазної розподільчої мережі із стабілізатором фаз 1 при внесеному фазному короткому замиканні між пунктами К1 та К2 проводів фаз СЗ та 03. Струм між точками К1 та К2 короткого замикання позначений як Ікз і прирівняний до 1,0. Відзначимо дві особливості стабілізатора фаз. Перша: стабілізатор фаз 1 для струму Ікз створює умову більшої провідності, тобто створює відсмоктування струму Ікз від проводу нульової фази трансформатора у провід нульової фази стабілізатора фаз. Тому струм Ікз замикається не через нульову фазу 0 трансформатора МТ, а через стабілізатор фаз 1, а далі замикається через опори Za(np), Ze(np) та Zc(np) фаз А, В та С відповідно, а також через фазні електрорушійні сили Еа, Ев та Ес. Друга особливість дії стабілізатора фаз полягає у поділі струмів Іа, Iв та Іс у проводах лінійних фаз у пропорції (-1): (-1): (+2) (2) Іа = - Ікз/3 Ів = - Ікз/3 Іс = +2*Ікз/3 (3) (4) (5) Причому 25 Кожен з опорів Za(np), Ze(np) та Zc(np) є приведеним (сумарним) значення опору фази трансформатора та опору проводу лінійної фази мережі разом. Приведені опори фаз трансформатора та лінії мережі однакові по фазах А, В, С, тобто 30 Za(пp) = Ze(пp)) = Zc(пp) = Z(пp) (6) Струми (3)-(5) створюють падіння напруг на опорах Za(пp), Ze(пp)) та Zc(пp). Величина та знак напруг Ua(пp), Uв(пр) та Uc(пp) на цих опорах визначається з виразів (7)-(9). Ua(пp)= -lкз*Z(пp)/3 Uв(пр)= -Ікз*Z(пp)/3 Uc(пp)= +2Ікз* Z(пp)/3 (7) (8) (9) 35 З виразів (7)-(9) випливає, що падіння напруг у лінії та трансформаторі разом належать між собою як (-1): (-1): (+2) 40 45 50 (10) що співпадає з (2). Пропорція (2), яка мала місце у перерозподілі струмів по фазах мережі і викликана приєднанням стабілізатора фаз 1, повторилась у відношеннях падінь напруг у лінійних фазах трансформатора та лінії мережі (10). Вектори напруг Ua(пp), Uв(пp) та Uc(пp) показані на топографічному зображенні фіг.7. Вектор Ua(np) прикладений між фазами Еа та A3; вектор Uв(пр) прикладений між фазами Ев та В3; а вектор Uc(пp) прикладений між фазами Ес та С3. Оскільки вектор Uc(пp) удвічі більший від векторів Ua(пp) та Uв(пр), які до того ж направлені зустрічно до Uc(пp) (фіг.7), то це означає, що падіння напруги Uc(пp) у фазі С3 повертає нульову фазу 03 у пункт Е0 (центр трикутника Еа-Ев-Ес; точка з'єднання електрорушійних сил Еа, Ев та Ее у зірку). Звідси висновок: при приєднанні стабілізатора фаз 1 до трифазної мережі у випадку одного фазного замикання потенціали нульової фази трансформатора МТ, 6 UA 107509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 потенціали початку та кінця проводу нульової фази лінії мережі, а також будь-якого проміжного пункту проводу нульової фази лінії мережі лежать на рівні потенціалу Е0, тобто потенціалу пункту землі, віддаленої на 20-100 метрів від контуру заземлення мережевого трансформатора МТ. Отже, при фазному короткому замиканні має режим стабілізації потенціалу нульової фази. Залежність відношення абсолютного (приведеного) зміщення U(03-Т3)/Uф потенціалу нульової фази до номінальної фазної напруги мережі від струму короткого замикання Ікз та приведеного опору петлі "фаза-нуль" Zo(пp)+Zc(пp) показана на фіг.8 (графік n3). З порівняння графіків n1 та n2 (фіг.3) з графіком n3 (фіг.8) видно, що застосування стабілізатора фаз дає можливість на порядок (до 10 раз) зменшити напругу зміщення нульової фази U(03-Т3) відносно землі, тобто стабілізувати потенціал нульової фази на рівні потенціалу землі. Рівень такої стабілізації потенціалу нульової фази принаймні утричі нижчий допущеного рівня напруги дотику (50В), яка встановлена "Правилами влаштування електроустановок" (Москва: Омега-Л, 2007.-268с). Як видно із графіка фіг.8 стабілізація потенціалу нульової фази за допомогою стабілізатора фаз є ефективною, але не ідеальною. Виникає питання: як підвищити коефіцієнт стабілізації потенціалу нульової фази відносно землі. З цією метою розглянемо фіг.9, на якій показане топографічне зображення падінь напруг на опорах лінійних фаз при глухому фазному короткому замиканні. Це необхідно для ілюстрації принципу компенсації напруг зміщення потенціалу нульової фази. Схема фіг.5 подана на топографічному зображенні трьома складовими: перша складова - виводи виходу лінії мережі A3, В3, С3, 03 та вузли вхідних фаз Еа, Ев, Ее, Е0; друга складова - зображення активних та реактивних опорів лінії мережі; третя складова стабілізатор фаз, показаний прямокутником 1 і виділений штрих-пунктирними лініями. Фіг.9 одержана із фіг.7. На ній нанесені зображення реактивних Хал, Хвл, Хсл, ХИЛ та активних Рал, Рвл, Рсл, RNл опорів лінійних А, В, С та нульової 0 фаз лінії мережі (фіг.9). При фазному короткому замиканні напруга між фазами Ес та СЗ майже досягає номінального значення (U(Ec, C2)  Uф). Тому потенціали фаз С2 та С3, які близькі до потенціалів 02 та 03, наближаються до потенціалу фази Е0. Різниця потенціалів Е0 та 03 визначає ефективність стабілізації потенціалу нульової фази: чим менша ця різниця, тим ближчий потенціал проводу нульової фази до потенціалу землі при короткому замиканні. Робота стабілізатора фаз. На фіг. 10 показане топографічне зображення розташування обмоток фільтра струмів нульової послідовності при глухому фазному короткому замиканні проводу фази С. При описі роботи необхідно порівнювати топографічне зображення нормального режиму стабілізатора фаз (фіг.6) із зображенням фіг. 10 при короткому замиканні. На фіг.6 обмотки 2-7 стабілізатора фаз розташовані між собою під кутами π/3, а на фіг. 10 вони розташовані між собою під іншими кутами. Зображення, подане на фіг.6, характерне для трьох ступенів свободи трифазного електротехнічного пристрою, наприклад, трансформатора з нульовою фазою. А топографічне зображення стабілізатора фаз, показане на фіг. 10, характерне для двох ступенів свободи. Під час появи фазного короткого замикання в стабілізаторі фаз виникає неістотна (від 100 % (фіг.6) до 86 %-87 % (фіг. 10)) зміна модулів напруг на обмотках 2-7 (фіг. 10). Кожна з шести напруг обмоток 2-7 змінюється на однакову величину. Величини фазних кутів напруг обмоток стабілізатора фаз до короткого замикання та після короткого замикання, а також кут повороту фаз напруг обмоток 2-7 при встановленні короткого замикання наведені у таблиці 1. З аналізу фазних кутів напруг обмоток стабілізатора фаз випливає: 1- при фазному короткому замиканні лінії мережі в стабілізаторі фаз відбувається коротке замикання вздовж повздовжньої осі d: при зростанні струмів короткого замикання повздовжні напруги, у тому числі і зміщення нейтралі, обмежуються активними та реактивними опорами схеми заміщення; 2- при фазному короткому замиканні лінії мережі у напрямку поперечної осі режим стабілізатора фаз близький до робочого режиму; 3- при фазному короткому замиканні лінії мережі відбувається істотна зміна фазного кута напруг обмоток стабілізатора фаз: вектори напруг обмоток 3 та 6 повертаються на кут +π/3; вектори напруг обмоток 4 та 7 повертаються на кут -π/3; а вектори напруг обмоток 2 та 5 не змінюють фазні кути напруг; 4- при міжфазному короткому замиканні лінії мережі стабілізатор фаз знаходиться у режимі холостого ходу доти, поки потенціал нульової 7 UA 107509 C2 Таблиця 1 Позначки обмоток стабілізатора фаз 2 3 4 5 6 7 5 10 Фазні кути напруг на обмотках До короткого замикання після короткого (фіг.6) замикання (фіг. 10) +π/6 +π/6 -π/6 +π/6 -π/2 -5π/6 -5π/6 -5π/6 +5π/6 -5π/6 +π/2 +π/6 Кут повороту фази, радіан 0 +π/3 -π/3 0 +π/3 -π/З фази мережі знаходиться на рівні потенціалу землі (фіг. 12); але при зміщенні потенціалу нейтралі стабілізатор генерує струми, які повертають потенціал нульової фази на рівень потенціалу землі. При експериментальних дослідженнях коефіцієнта стабілізації потенціалу нульової фази встановлено, що падіння напруги на опорах лінії мережі задовольняють умову (10), але при цьому не повністю виконується умова (1). Стабілізатор фаз 1 не до нуля зменшує струм Ікз, викликаний фазним коротким замиканням у нульовій фазі трансформатора (Ікз(т)). Встановлено, що відношення цих струмів залежить від відношення опорів Zо(сф) та Zo(пp) нульових послідовностей стабілізатора фаз та лінії мережі із трансформатором включно. Ікз(т) / Ікз = Zо(сф) / Zo(пp) 15 де: Zo(cф) - опір нульової послідовності стабілізатора фаз. Із (11) випливає, що повна стабілізація потенціалу нульової фази можлива при Zо(сф) = 0 причому Zо(сф) = Хo(сф) +j*Rо(сф) 20 30 35 40 (12) (13) де: Хо(сф) - реактивна складова опору нульової послідовності фаз, а Rо(сф) - активна складова опору нульової послідовності. У фільтрах струмів нульової послідовності завжди виконується нерівність Хо(сф)