Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісними міжфазними зв’язками як стабілізатора фаз

Реферат: Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного, або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного кола, названого скорочено стабілізатором фаз, призначене для використання в електроенергетиці та електротехніці. Стабілізатор фаз призначений для використання у системоутворюючих та розподільних мережах, у синхронних та асинхронних машинах змінного струму, у перетворюючій техніці, зокрема у регуляторах та стабілізаторах напруги промислових та комунальних мереж, у засобах перемикання мереж без перехідних процесів, у засобах симетрування та фільтрації напруг та струмів від симетричних складових вищих гармонік. Застосування стабілізатора фаз для генерації або компенсації струмів нульової послідовності, виконання прямого та зворотного перетворення конфігурації режимів багатофазних мереж, зокрема для перетворення симетричної системи напруг та струмів у несиметричну, і навпаки, генерації напруги на приймальному кінці обірваного проводу мережі, генерації симетричних складових напруг та струмів прямої, зворотної та нульової послідовностей, для досягнення параметричної врівноваженості режиму передачі енергії як у симетричних, так і UA 105553 C2 (12) UA 105553 C2 несиметричному режимах мережі, обмеження надструмів трансформаторів підстанцій шляхом відведення надструмів від трансформаторів через автотрансформатори, здійснення передачі активної та реактивної енергії між лінійними та нульовою фазою або ж між лінійними фазами засобом міжфазного електричного та електромагнітного зв'язку. Автотрансформатори як стабілізатори фаз забезпечують підвищення надійності та живучості електропостачання. UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз призначене для використання в електроенергетиці та електротехніці. Область застосування: розподільні та системоутворюючі низьковольтні та високовольтні мережі, електричний привід, пристрої перемикання мережі, пристрої регулювання та стабілізації напруг, а також інші пристрої перетворюючої техніки. Стабілізатор фаз призначений: для генерування принаймні однієї напруги у принаймні одній обірваній фазі багатофазного електричного кола, наприклад багатофазної лінії мережі; для генерування симетричних складових напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази багатофазного кола, наприклад у багатофазній лінії мережі; для параметричного перетворення та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного кола, зокрема електродинамічних систем; для параметричного перетворення та врівноваження режимів двох частин багатофазного кола, які мають симетричні та несиметричний режими; для створення резервних параметрично синхронізованих джерел живлення багатофазних кіл, нормальна робота фаз яких може бути порушена внаслідок непередбачених обставин; для усунення надструмів у трансформаторах підстанцій при обриві одного або декількох проводів лінії мережі, тощо. Відома схема Штейнметца [1] для симетрування режиму трифазної мережі, яка містить три реактивні елементи: регульовану котушку індуктивності, дві регульовані конденсаторні батареї та блок керування. Схема генерує струми прямої та зворотної послідовності і врівноважує режим трифазної мережі. Недолік схеми: зниження надійності через необхідність введення трьох регульованих силових елементів електричного кола, значні перехідні процеси у трифазній мережі, викликані комутаційними процесами при регулюванні силових реактивних елементів та велика вартість капітальних та експлуатаційних витрат. Відомий пристрій для перетворення однофазної напруги у трифазну систему напруг [1]. Пристрій дозволяє генерувати напругу в обірваній фазі мережі і створити штучну третю фазу. Будова і недоліки пристрою аналогічні будові і недолікам схеми Штейнметца. Відоме застосування автотрансформатора з трьома обмотками, ввімкнутими у зірку, який містить додаткові три обмотки, ввімкнені у трикутник, одна вершина якого заземлена з метою зменшення несиметрії напруг на кінці лінії мережі, яка працює у неповнофазному режимі [2]. Недолік застосування: великий опір між фазами у кінці мережі, внаслідок чого несиметрія напруг за зворотною послідовністю на приймачах енергії більш ніж у 5 разів перевищує допустиму норму. Відоме застосування трансформатора [3], первинні обмотки якого виконані з проміжними виводами, ввімкнені у зірку і приєднані до трифазної мережі. Вторинні обмотки трансформатора ввімкнені у трикутник. Трансформатор споряджено лінійним регулятором та синхронним компенсатором. Зміна кількості витків первинних обмоток дозволяє регулювати струм прямої та зворотної послідовностей у трифазній мережі. Недолік трансформатора: відсутня генерація напруги у обірваній фазі багатофазного електричного кола; відсутнє генерування симетричних складових напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у проводі обірваної фази у багатофазній мережі; не виконується параметричне перетворення та врівноваження режимів трифазних мереж. Відоме застосування автотрансформатора [4], обмотки якого ввімкнені за схемою зиґзаґ, для створення потенціалу нейтральної точки у трифазній мережі. Недолік трансформатора: відсутня інформація про генерування напруги у обірваній фазі багатофазного кола; відсутня інформація про генерування симетричних складових напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у проводі обірваної фази багатофазної мережі; відсутня інформація про виконання параметричного перетворення та врівноваження режимів трифазних мереж. Відоме застосування фільтра струму нульової послідовності [5-16] для зменшення симетричних складових напруг та струмів нульової послідовності трифазної чотирипровідної мережі. Недолік фільтра струму нульової послідовності: відсутність інформації про можливість генерації напруги у обірваній фазі багатофазного електричного кола; відсутня інформація про генерування симетричних складових напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у проводі обірваної фази багатофазної мережі; відсутня інформація про виконання параметричних перетворень та врівноважування режимів трифазних мереж. В результаті проведеного патентного пошуку встановлено, що заявлене застосування не має аналогів та прототипу. Через це можна стверджувати, що відомі застосування автотрансформаторів та трансформаторів обмежені властивістю зменшувати несиметрію напруг та струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Інші властивості та застосування 1 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 автотрансформаторів або трансформаторів відсутні у патентній та науковій літературі. Цей недолік не дозволяє розширити коло застосування трансформаторів та автотрансформаторів. У зв'язку з указаними недоліками нами поставлена задача істотно розширити коло застосування автотрансформаторів та трансформаторів. Поставлена задача розв'язана шляхом виявлення та застосування нових властивостей однофазних та багатофазних автотрансформаторів та трансформаторів як зміцнювачів системи фаз багатофазного кола, і як зменшувачів рухливості фаз на площині комплексної змінної топографічного зображення, а саме тим, що запропоновані: застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного кола, названого скорочено стабілізатором фаз; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який генерує принаймні одну напругу у принаймні одній обірваній фазі багатофазного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який генерує симетричні складові напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази багатофазного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який параметрично перетворює та врівноважує режими принаймні двох частин багатофазного кола, одна з яких є електричною машиною змінного струму; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який параметрично перетворює та параметрично врівноважує режими принаймні двох частин багатофазного кола, перша з яких має симетричний режим, а друга частина кола має несиметричний режим і навпаки; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який виконує параметричне врівноваження режимів частин електричної та/або електродинамічної систем, наприклад, "лінія-двигун", "лінія-генератор", "лініятрансформатор" або "лінія-автотрансформатор", кожна частина яких працює при симетричному та/або несиметричному режимах; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який виконує обмеження надструмів трансформаторів підстанцій при обривах проводів багатофазних кіл, наприклад, електричних мереж; застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз, який виконує роль резервних синхронізованих та синфазованих джерел живлення багатофазних кіл, нормальна робота фаз яких може бути порушена внаслідок передбачених та непередбачених обставин, наприклад, при перемиканні виводу обмотки регулюючого автотрансформатора, при перегоранні обмотки двигуна, при обриві проводу однієї з фаз, при перемиканні електричних мереж, тощо. Для кращого розуміння суті застосування трансформатора або автотрансформатора як стабілізатора фаз розглянемо креслення, подані на фіг.1-фіг.1О. На фіг. 1.1 та фіг. 1.2 показані блок-схема та топографічне зображення [17] схеми для утворення штучної фази на основі трифазного електричного кола. На фіг. 2.1 та фіг. 2.2 показані блок-схема та топографічне зображення схеми для утворення штучної страхової фази на основі п'ятифазного кола. На фіг. 3.1 та фіг. 3.2 показані блок-схема та схема заміщення для утворення двох штучних страхових фаз та двох фаз п'ятифазного кола. На фіг. 4 дана принципова схема варіанта виконання шестифазного автотрансформаторного стабілізатора фаз, всі фази якого мають властивість штучних страхових фаз. На фіг. 5 подана просторова модель стабілізатора фаз у вигляді обруча (обода), який скріплює фази лінії мережі. 2 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 6 зображена принципова схема частини лінії трифазної мережі, яка зміцнена з боку входу та виходу з допомогою двох стабілізаторів фаз. На фіг. 7 зображено фрагмент мережі, показаної на фіг.6, на якому ілюстровано механізм і напрямки передачі електричної енергії між фазами стабілізатора фаз. На фіг. 8 зображена просторово-топографічна [17] модель мережі у вигляді жаку з приєднаними двома стабілізаторами фаз у вигляді обруча (ободу), кожен з яких скріплює фази лінії мережі при обриві проводів однієї або декількох фаз. На фіг. 9 показана залежність коефіцієнта несиметрії напруг за зворотною послідовністю виходу мережі від кількості обривів проводів фаз мережі. На фіг. 10 показана залежність пропускної активної потужності мережі від кількості обривів фаз мережі. На фіг. 1.1 позначено: А, В, С, D, F - фази п'ятифазної системи напруг; Gш - штучна фаза; 1 стабілізатор фаз. На фіг. 1.2 позначено: 3 та 7 - обмотки першого автотрансформатора; магнітопровід першого автотрансформатора виконаний без прозіру і позначений позначками 4 та 8; 6 та 9 обмотки другого автотрансформатора; магнітопровід другого автотрансформатора виконаний без прозіру і позначений позначками 2 та 5; q - вузол з'єднання обмоток 3 та 7; решта позначень фіг. 1.2 співпадає з позначеннями фіг. 1.1. На фіг. 2.1 позначено: Вш-с - вивід штучної страхової фази стабілізатора 10 для фази В; 10 стабілізатор фаз; решта позначень фіг.2.1 співпадає з позначеннями фіг. 1.1. На фіг.2.2 позначено: 12 та 20 - обмотки першого автотрансформатора; магнітопровід першого автотрансформатора виконаний без прозіру і позначений позначками 13 та 22; 16 та 17 - обмотки другого автотрансформатора; магнітопровід другого автотрансформатора виконаний без прозіру і позначений позначками 11 та 18; 19 та 21 - обмотки третього автотрансформатора; магнітопровід третього автотрансформатора виконаний без прозіру і позначений позначками 14 та 15; Вш-с - вивід штучної страхової фази стабілізатора фаз 10, який (вивід) є страховим до фази В; решта позначень фіг.2.2 співпадає з позначеннями фіг. 1.1. На фіг. 3.1 позначено: Flu-c - вивід штучної страхової фази відносно фази F багатофазного кола; 23 - стабілізатор фаз; решта позначень фіг. 3.1 співпадає з позначеннями фіг. 1.1 та фіг. 2.1. На фіг. 3.2 позначено: Ев та Ef - електрорушійна сила фаз В та F багатофазного кола; Zb та Zf - внутрішній опір фаз В та F багатофазного кола; Zн - зовнішній опір навантаження, ввімкненого між фазами В та F; Евш-с та Efш-c електрорушійна сила штучних страхових фаз Вш-с та Fш-c стабілізатора фаз 23; Zвш-c та Zfш-c - внутрішній опір штучних страхових фаз Вшс та Fш-c стабілізатора фаз 23; Вш-с та Fш-c - виводи штучних страхових фаз стабілізатора фаз 23 до фаз В та F багатофазного кола. На фіг. 4 позначено: 25-33 - обмотки стабілізатора фаз, виконаного на основі шестифазного автотрансформатора із тристрижневим магнітопроводом; А, В, С, D, E, F та 0 - лінійні та нульова фази стабілізатора фаз; а, с, є - внутрішні вузли з'єднання обмоток стабілізатора фаз. На фіг. 5 позначено: 34 - стабілізатор фаз, показаний у вигляді обруча; А1, В1, С1, D1, Е1, F1 - входи стабілізатора фаз; А2, В2, С2, D2, Е2, F2 - виводи стабілізатора фаз; A3, В3, С3, D3, Е3, F3 - виходи стабілізатора фаз. На фіг. 6 позначено: А4, В4, С4, 04 - лінійні та нульова фази входу трифазної чотирипровідної мережі; СФ1 - перший стабілізатор фаз; А5, В5, С5, 05 - лінійні та нульова фази виходу стабілізатора фаз СФ1; А6, В6, С6, 06 - лінійні та нульова фази входу стабілізатора фаз СФ2; А7, В7, С7, 07 - лінійні та нульова фази виходу трифазної чотирипровідної мережі. На фіг. 7 позначено: 35 та 38 - обмотки, розміщені на першому стрижні тристрижневого магнітопроводу; 37 та 39 - обмотки, розміщені на другому стрижні тристрижневого магнітопроводу; 36 та 40 - обмотки, розміщені на третьому стрижні тристрижневого магнітопроводу; а-в - напрям передачі енергії з фази А4 в фазу В5; а-с - напрям передачі енергії з фази А4 в фазу С5; решта позначень фіг.7 співпадає з позначеннями фіг.6. На фіг. 8 позначено: 41- вхідний трифазно-шестифазний трансформатор мережі; А8, В8, С8, D8, Е8, F8 - вихідні виводи вхідного трифазно-шестифазного трансформатора 41; 42 - перший стабілізатор фаз; А9, В9, С9, D9, Е9, F9 - виводи фаз першого стабілізатора фаз 42; 43-48 індуктивні опори проводів шестифазної лінії мережі; 49-54 - резистивні опори проводів шестифазної лінії мережі; 55 - другий стабілізатор фаз; А10, В10, С10, D10, Е10, F10 - виводи фаз другого стабілізатора фаз 55; А11, В11, С11, D11, Е11, F11 - вхідні фази вихідного трифазно-шестифазного трансформатора 56 мережі; 56 - вихідний трифазно-шестифазний трансформатор мережі. 3 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 9 позначено: K0U2 - коефіцієнт несиметрії напруг за зворотною послідовністю виходу мережі; Noбp - кількість обривів проводів фаз мережі. На фіг. 10 позначено: Р, %. - активна потужність на виході мережі; Noбp - кількість обривів проводів фаз мережі. Склад та будова автотрансформатора та трансформатора, які застосовано як стабілізатор потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного кола. Цей стабілізатор для скорочення названо "стабілізатором фаз". Склад та будова стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз розглядається сумісно з багатофазним колом, до якого приєднано стабілізатор фаз. Поняття "стабілізатор фаз" складається із двох слів. Перше з них ("стабілізатор") належить до окремого електромагнітного елемента, наприклад до багатофазного автотрансформатора. А друге слово з них ("фаз") належить до фаз зовнішнього багатофазного електричного кола, наприклад до багатофазної мережі. В основу стабілізатора фаз покладений багатофазний автотрансформатор. При великих потужностях стабілізатор фаз містить декілька (від двох до трьох) однофазних автотрансформаторів або трансформаторів. Особливістю будови указаного автотрансформатора є: - наявність тісного міжфазного електричного та електромагнітного зв'язку між провідниками обмоток, приєднаних до різних лінійних та нульової фаз; суть цього положення полягає у тому, що один провідник або група провідників однієї обмотки оточена провідниками або групами провідників другої обмотки; - наявність передачі енергії між фазами автотрансформатора для перекачки цієї енергії з однієї або декількох фаз багатофазного кола в інші фази багатофазного кола і навпаки; суть цього твердження полягає у тому, що багатофазний автотрансформатор виконує роль електричного насоса, який відсмоктує енергію з одних фаз багатофазного кола і переносить її в інші фази багатофазного кола; - зниження напруги короткого замикання Uк до значень, які меншітипового значення, прийнятого для трансформаторів високовольтних та низьковольтних мереж; так, для двообмоточних трансформаторів напругою 110 кВ напруга короткого замикання Uк знаходиться на рівні 10,5 %; у цьому разі напруга короткого замикання Uк стабілізатора фаз може бути принаймні у 1,5-3,0 рази меншою, тобто складати від 3,5 % до 7 %; - зниження опорів прямої, зворотної, нульової та інших послідовностей між фазами стабілізатора фаз принаймні у 1,5-3,0 рази порівняно з аналогічними опорами трансформаторів високовольтних та низьковольтних мереж; - поява тривалих надструмів а обмотках багатофазного автотрансформатора при обриві декількох проводів мережі; - зміна статусу понять "аварійний режим" при обриві проводів однієї або декількох фаз мережі; такий режим приймається як допустимий довгочасно з необмеженою тривалістю; - відхилення однієї фазної напруги від інших фазних напруг електричного кола діє на всі електромагнітні процеси і в багатофазному автотрансформаторі і у багатофазному колі, до якого приєднаний багатофазний автотрансформатор. Будову багатофазного автотрансформатора як стабілізатора фаз визначає його резервне призначення: у разі зникнення напруги у фазі мережі стабілізатор фаз має створити штучну фазу, напруга якої повинна приблизно дорівнювати напрузі зниклої фази мережі; фазний кут напруги штучної фази повинен приблизно дорівнювати фазному кутові напруги зниклої фази, а потужність повинна передаватись із діючих фаз багатофазного кола у стабілізатор фаз (в автотрансформатор), а із стабілізатора фаз потужність повинна передатись у знеструмлений провід приймального кінця лінії мережі. Цей складний шлях передачі енергії стабілізатор фаз (автотрансформатор) виконує параметрично. До того ж, стабілізатор фаз параметрично визначає величину потужності, необхідної для підтримання напруги споживача у межах приписаної величини. Розглянемо будову багатофазного автотрансформатора як стабілізатора фаз докладніше. На фіг. 1.1 показана блок-схема, а на фіг. 1.2 показане топографічне зображення схеми для утворення штучної фази Gш на основі трифазного електричного кола. Стабілізатор фаз 1 (фіг. 1.1) живиться від напруг п'ятифазної системи А, В, С, D, F і створює штучну фазу Gш. Стабілізатор 1 містить два автотрансформатори. Перший з них має обмотки 3 та 7, які розміщені на магнітопроводі без прозіру, позначеного позначками 4 та 8 (фіг.1.2). Перший автотрансформатор приєднаний до фаз В та С багатофазного кола. Послідовне з'єднання обмоток 3 та 7 утворює проміжний вузол, який також є штучною фазою. Другий автотрансформатор містить послідовне з'єднання обмоток 6 та 9, які розміщені на магнітопроводі без прозіру, позначеному позначками 2 та 5. Обмотка 6 ввімкнута між фазою F та проміжним вузлом q обмоток 3 та 7 першого автотрансформатора. Обмотка 9 ввімкнена між 4 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 проміжним вузлом q обмоток 3 та 7 першого автотрансформатора та затискачем штучної фази Gш. Штучна фаза Gш утворена шляхом трансформації напруги обмотки 6 в напругу обмотки 9. Штучна фаза може мати потенціал, який відмінний по фазному куту та по величині від потенціалів фаз багатофазного кола, або може співпадати з одним з них. Але внутрішній опір штучної фази має бути дещо менший від внутрішнього опору фази багатофазного кола. З'єднання обмоток 3, 6, 7 та 9 утворюють міжфазний електромагнітний зв'язок між трьома (В, С, F) фазами багатофазного кола та штучною фазою Gш (фіг. 1.2). На фіг.2.1 та фіг.2.2. показані блок-схема та топографічне зображення схеми для утворення штучної страхової фази на основі п'ятифазного електричного кола. Штучні фази мають різне застосування, наприклад, для створення штучної нульової фази трансформатора [5]. Але у стабілізаторі фаз 10 створюється штучна фаза Вш-с, яка виконує роль страхової фази відносно фази В багатофазного кола. При конструюванні стабілізатора фаз 10 (фіг.2.1) потенціал страхової фази Вш-с має бути максимально наближеним або співпадати з потенціалом фази В багатофазного кола. Тільки при цій умові фаза В електричного кола може бути приєднана до штучної страхової фази Вш-с стабілізатора 10. Множина схем з'єднання обмоток багатофазного автотрансформатора дає широкі можливості для виконання вказаних умов: різноманітна кількість міжфазних зв'язків між фазами стабілізатора фаз; різна кількість стрижнів магнітопроводу; розмаїта множина комбінацій розміщення обмоток, яка забезпечує зменшення внутрішнього опору штучної фази стабілізатора фаз 10; різна кількість фаз багатофазного кола, яка формує однуштучну фазу, наприклад, Вш-с. На відміну від фіг.1.2, де штучна фаза Gш сформована з трьох фаз (В, С та F) багатофазного кола та чотирьох фаз стабілізатора фаз, побудованого на двох однофазних автотрансформаторах, на фіг.2.2 показана принципова схема стабілізатора фаз, у якого формування штучної фази Вш-с здійснено з допомогою чотирьох фаз (А, С, D та F) багатофазного кола та п'яти фаз стабілізатора фаз, побудованого на трьох однофазних автотрансформаторах. Встановлено, чим більше кількість фаз багатофазного кола приймає участь у формуванні штучної фази стабілізатора фаз, тим менший внутрішній опір штучної фази. Штучна фаза Вш-с утворена з'єднанням обмоток трьох автотрансформаторів (фіг.2.2) на відміну від фіг.1.2, де штучна фаза Gш утворена з'єднанням обмоток двох автотрансформаторів. На фіг.2.2 штучна фаза Вш-с має розширений індекс позначення. Добавка індексу "с" свідчить про те, що штучна фаза Вш-с має призначення страхової фази, потенціал якої близький або співпадає з потенціалом фази В. Якщо фазу В багатофазного кола з'єднати із штучною страховою фазою Вш-с, то при обриві проводу фази В багатофазного кола штучна фаза Вш-с виконує функцію резервної фази. У зв'язку з тим, що при обриві проводу фази В багатофазного кола штучна фаза Вш-с миттєво вступає у дію, то вона набула назву страхової фази. Цим пояснюється розширення індексу шляхом додавання літери "с". На фіг.3.1 та фіг.3.2. показані блок-схема та принципова схема для утворення двох штучних страхових фаз Вш-с та Fш-c на основі п'ятифазного електричного кола. Аналогічно до штучної страхової фази Вш-с, яка є резервною по відношенню до фази В багатофазного кола, інша штучна страхова фаза Fш-c є резервною по відношенню до фази F багатофазного кола (фіг.3.1). При роботі стабілізатора фаз 23 штучні страхові фази Вш-с та Fш-c приєднані до застрахованих фаз В та F багатофазного кола. Особливість взаємних впливів фаз стабілізатора на фази багатофазного кола показана на схемі заміщення фіг.3.2, на якій кожна фаза, наприклад, В та F багатофазного кола заміщена електрорушійною силою холостого ходу, наприклад, Ев та Ef, а також опором короткого замикання, наприклад, Zв та ZF відповідно. Аналогічно цьому кожна фаза стабілізатора, наприклад, Вш-с та Fш-c стабілізатора заміщена електрорушійною силою холостого ходу Евш-с та Efш-c, а також опором короткого замикання Zвш-c та Zfш-c відповідно, із фіг.3.2. видно, що величини внутрішнього опору штучних страхових фаз стабілізаторів фаз можуть бути меншими від внутрішніх опорів фаз багатофазних кіл. Зовнішнє навантаження Zh, яке приєднане до фаз В та F, у випадку обривів проводів фаз В або F продовжує нормально працювати поза наявністю аварійної ситуації. Отже конструкція стабілізатора забезпечує створення страхової напруги та внутрішнього опору страхової напруги, які є достатніми для підвищення надійності та живучості системи електропостачання. Стабілізатори фаз, показані на фіг.1-фіг.3 мають ілюстраційну цінність і на практиці не застосовуються. Замість них у трифазних мережах використані стабілізатори фаз, виконані за схемами зиґзаґ, лямбда, Скотта, А-подібної схеми та інших. У шестифазних мережах використані стабілізатори фаз, схеми яких виконані у вигляді "шестикутника", "шестикутної зірки", "сніжинки" та інших. На фіг.4 показана принципова схема стабілізатора фаз, виконаного за схемою "сніжинки" з нульовою фазою. Обмотки стабілізатора фаз 25-33 мають однакову 5 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кількість витків, розміщені на стрижнях тристрижневого магнітопроводу, а виводи обмоток приєднані до фаз А, В, С, D, Е, F, 0 багатофазного кола, надійність роботи якого підвищує стабілізатор фаз. Вузли а, с, е при рівності витків обмоток 25-33 набувають властивостей жорстких вузлів з малою рухливістю на площині комплексного змінного. Годографом точок розташування фаз А, В, С, D, Е, F є геометричне коло. Геометричне коло є годографом розташування фаз і багатофазного кола, і стабілізатора фаз (фіг.5). Потенціали фаз А1, В1, С1, D1, Е1, F1 і A3, В3, С3, D3, Е3, F3 шестифазного кола та потенціали А2, В2, С2, D2, Е2, F2 стабілізатора фаз 34 у симетричному режимі розташовані на одному геометричному колі. При несиметричному режимі внаслідок взаємодії стабілізатора фаз та багатофазного кола їх спільним годографом фаз є крива високого порядку, наприклад, деформований еліпс. Внаслідок дії стабілізатора фаз зміцнюється нерухомість фаз багатофазного кола: зменшуються внутрішні опори. Тому фізична сутність стабілізатора фаз зводиться до зміцнення стабільності розташування точок фаз багатофазного кола у довкіллі годографа. Механічним аналогом стабілізатора фаз є обруч бочки, який скріплює положення клепок бочки і зменшує розповзання склепок при несприятливій дії вологості, температури, механічних зусиль, тощо. Аналогічно цьому стабілізатор фаз концентрує розташування фаз у межах годографа при дії обривів, несиметричному навантаженні, вищих гармонік, тобто експлуатаційних порушень електропостачання. Механічним аналогом стабілізатора фаз з нульовою фазою є діжка. Центр дна діжки, як аналог нульової фази, також зміцнює своє розташування при добротній посадці обручів. Обід скріплює положення шпиць колеса (воза, велосипеда, чортового колеса) відносно осі, яка також є аналогом нульової фази. На фіг.5 показана просторова-топографічна модель стабілізатора фаз 34 у вигляді обруча. Стабілізатор фаз 34 (обруч) закріплює потенціали фаз А1, В1, С1, D1, Е1, F1 входу багатофазного кола на лінії годографа і, навпаки, фази стабілізатора фаз 34 прикріплюються до годографа багатофазного кола. На фіг.6 зображена принципова схема частини лінії мережі, яка зміцнена з двох боків (входу та виходу) за допомогою двох стабілізаторів фаз СФ1 та СФ2. Стабілізатор фаз СФ1 приєднаний до затискачів А5, В5, С5, 05, а стабілізатор фаз СФ2 приєднаний до затискачів А6, В6, С6, 06. Вхід лінії мережі приєднаний до затискачів А5, В5, С5, 05 та стабілізатора СФ1, а вихід лінії мережі приєднаний до затискачів А6, В6, С6, 06 та стабілізатора СФ2. При обриві проводу фази А лінії мережі стабілізатори СФ1 та СФ2 забезпечують неперервність електропостачання шляхом параметричного перетворення симетричної системи напруг та струмів у врівноважену несиметричну системи і навпаки. При обриві фази на дільниці А5-А6 лінії мережі енергія фази А5 переноситься стабілізатором СФ1 у проводи фаз В5 та С5, а стабілізатором СФ2 ця енергія із фаз В6 та С6 переноситься у фазу А6. Докладніше цей процес описаний у розділі "Робота". На фіг.7 зображено фрагмент мережі, показаної на фіг.6, на якому ілюстровано механізм і напрямки а-в та а-с передачі електричної енергії між фазами мережі за допомогою одного стабілізатора фаз, наприклад стабілізатора фаз СФ1. Обмотки 35-40 автотрансформатора стабілізатора ввімкнені за схемою зиґзаґ. Перенос енергії із А5 в В5 здійснюється обмотками 35 та 38, а перенос енергії із А5 в С5 здійснюється обмотками 35 та 40. Докладніше про це вказано у розділі "Робота". На фіг.8. зображена просторово-топографічна модель мережі з приєднаними двома стабілізаторами фаз 42 та 55 у вигляді обруча (ободу), які зміцнюють фази лінії мережі при обриві проводів однієї або декількох фаз. Процес відновлення якості електричної енергії при обриві одного або декількох проводів має велике значення, оскільки визначає живучість електропостачання в аварійних процесах. Мережа містить вхідний 41 та вихідний 56 трансформатори підстанцій, вхідний 42 та вихідний 55 стабілізатори фаз та лінію мережі, обмежену стабілізаторами фаз. Параметри лінії мережі задані зосередженою індуктивністю та резистивним опором. Трансформатор 41 має трифазний вхід. Його шестифазний вихід А8, В8, С8, D8, Е8, F8 по одному приєднаний до виводів А9, В9, С9, D98, Е9, F9 стабілізатора фаз 42. До виводів А9, В9, С9, D98, Е9, F9 стабілізатора фаз 42 по одному приєднані початкові виводи проводів фаз лінії мережі, а кінцеві виводи проводів фаз лінії мережі приєднані по одному до виводів А10, В10, С10, D10, Е10, F10 стабілізатора фаз 55, виводи якого по одному приєднані до виводів А11, В11, С11, D11, Е11, F11 шестифазної сторони трансформатора 56. Затискачі трифазного виходу трансформатора 56 приєднані до споживачів електричної енергії. Провід А9А10 фази А лінії мережі має індуктивність 48 та резистивний опір 54; провід В9-В10 фази В лінії мережі має індуктивність 46 та резистивний опір 52 і т.д. Положення вузлів з'єднань нижньої частини зображення відповідає холостому режиму роботи лінії мережі. При навантаженні лінії мережі потенціали вузлів А10, В10, С10, D10, Е10, F10 стабілізатора фаз 55 зміщуються по 6 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 годинниковій стрілці та до центра циліндра, утвореного обручами стабілізаторів фаз та проводами лінії мережі. Робота одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісними міжфазними зв'язками в режимі стабілізатора фаз протікає так. Перший з автотрансформаторів з послідовно з'єднаними обмотками 3 та 7 приєднаний до лінійної напруги між фазою В та С Між точкою q з'єднання обмоток 3 та 7 першого автотрансформатора та фазою F ввімкнена обмотка 6 другого трансформатора (фіг. 1.2). Потенціал штучної фази Gш формується на кінці обмотки 9, у яку трансформується напруга обмотки 6. По обмотках 3, 6 та 7 обох автотрансформаторів протікають струми намагнічування. В результаті в обмотці 9 між вузлами q та Glu наводиться штучна напруга U(q, Gш), яка відповідає заданому потенціалу штучної фази Gш. Схема фіг. 1.2 показує, що штучна фаза може бути створена у довільній точці площини комплексної змінної за допомогою двох автотрансформаторів, які живляться принаймні від трьох фаз багатофазного кола, затискачі якого позначені В, С, F. Для застосування автотрансформаторів або трансформаторів як стабілізаторів фаз за допомогою схеми з'єднань обмоток сформована така штучна фаза Вш-с, яка виконує роль резервної фази відносно фази В і миттєво включається у роботу при зникненні потенціалу фази В. Тобто штучна фаза Вш-с несе страхову функцію відносно фази В. Індексом "с" відмічена страхова (підстраховуюча) властивість такої фази. На фіг.2.1 показано, що потенціали фази В багатофазного кола А, В, С, D, F та штучної страхової фаз Вш-с розташовані близько одна до одної і можуть бути з'єднані між собою при роботі стабілізатора фаз 10. У роботі стабілізатора 10 беруть участь три автотрансформатори (фіг.2.2), які формують потенціал штучної фази Вшс, близький до потенціалу фази В багатофазного кола. Порівняння міжфазних зв'язків вказує на те, що система трьох автотрансформаторів пов'язує між собою більшу кількість фаз (А, С, D, F) багатофазного кола із штучно страховою фазою Вш-с. Це означає, що при обриві фази В живлення споживачів виконуватиме фаза Вш-с, яка пов'язана з більшою кількістю непошкоджених фаз багатофазного кола; фаза Вш-с має більшу потужність живлення і менший внутрішній опір фази Вш-с, а це сприятливо впливає на режим роботи споживача. Для пояснення вище висловленого для показаної на фіг.3.1 блок-схеми з'єднань стабілізатора 23 з багатофазним колом А, В, С, D, F на фіг.3.2 дана схема заміщення для утворення двох штучних страхових фаз Вш-с та Fш-c стабілізаторів фаз та двох фаз В та F п'ятифазного кола. Підкреслимо, що у створенні потенціалу фази В без стабілізатора фаз 23 бере участь лише сама фаза В з електрорушійною силою Ев та внутрішнім опором Zв. При приєднанні стабілізатора фаз 23 у створенні потенціалу фази В беруть участь всі фази багатофазного кола А, В, С, D, F з електрорушійними силами Еа, Ев, Ес, Ed, Ef та внутрішніми опорами Za, Zв, Zc, Zd, Zf. В результаті стабілізатор фаз 23 формує, наприклад, дві електрорушійні сили Евш-с та Efш-c зі значно меншими їх внутрішніми опорами Zвш-c та Zfш-c відповідно. Одержані у такий спосіб штучні страхові фази Вш-с та Fш-c мають у 1,5-2 разів збільшену потужність та у 1,5-3,0 зменшений внутрішній опір. Отже штучні страхові фази Вш-с та Fш-c набувають властивостей нових джерел напруги зі збільшеною потужністю і при обриві фази В або F повністю заміщують обірвані фази. Кожна з фаз стабілізатора набуває значення резервної фази; такий резерв має статус "гарячого резервування". Зовнішнє навантаження Zh, яке приєднане до фаз В та F, у випадку обривів проводів фаз В або F продовжує нормально працювати поза фактом аварійної ситуації. Отже конструкція автотрансформатора шляхом введення тісного електромагнітного зв'язку забезпечує створення страхової напруги та внутрішнього опору страхової напруги, які є достатніми для багатократного підвищення надійності та живучості систем електропостачання. Для ілюстрації на фіг.3.1.та 3.2 стабілізатор фаз 23 створює тільки дві штучні страхові фази. На практиці всі фази стабілізаторів фаз виконуються і використовуються як штучно страхові фази. Як видно із фіг.1.1-фіг.3.2 як стабілізатори фаз застосовані автотрансформатори. Аналогічно у ролі стабілізаторів фаз можуть бути застосовані трансформатори. При виготовленні крупних стабілізаторів фаз для системоутворюючих мереж можуть бути застосовані однофазні трансформатори та автотрансформатори. З метою зменшення капітальних та експлуатаційних витрат трансформатори та автотрансформатори стабілізаторів фаз можуть бути суміщені з силовими трансформаторами та автотрансформаторами підстанцій систем електропостачання. Поряд з тим, з цією ж метою трансформатори та автотрансформатори стабілізаторів фаз можуть бути суміщені з асинхронними та синхронними двигунами та генераторами. Стабілізатори фаз можуть бути виготовлені на двострижневих, тристрижневих, чотиристрижневих та п'ятистрижневих магнітопроводах. 7 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг.4. дана принципова схема варіанта виконання стабілізатора фаз, всі фази якого мають властивість штучних страхових фаз. Дев'ять обмоток 25-33 стабілізатора фаз розміщені на трьох стрижнях тристрижневого магнітопроводу. Схема з'єднання обмоток стабілізатора фаз має назву "сніжинка з нулем". До особливостей виготовлення стабілізатора фаз відносяться: - компенсація осьових та радіальних складових магнітних полів розсіювання при навантаженнях лінійних фаз; - компенсація осьових та радіальних складових магнітних полів розсіювання при істотних струмах у нульовій фазі; - компенсація осьових та радіальних складових магнітних полів розсіювання при використанні землі як резервного супутнього електропровідного об'єкта електричної мережі. Поряд зі схемою "сніжинка" з'єднання обмоток стабілізаторів фаз виконується за схемами "шестикутника", "шестикутної зірки", зиґзаґу, лямбди, Скота, А-подібної та N-подібної схем, тощо. Геометричне коло є годографом розташування фаз багатофазного кола, а також годографом розташування фаз стабілізатора фаз (фіг.5). Фізична суть стабілізатора фаз зводиться до зміцнення стабільності розташування точок фаз багатофазного кола порівняно до потенціалу землі. Механічним аналогом стабілізатора фаз є обруч бочки, який скріплює положення клепок бочки і зменшує розповзання клепок при несприятливих умовах. Аналогічно цьому стабілізатор фаз концентрує розташування фаз у межах годографа при дії обривів, несиметричному навантаженні, вищих гармонік, тобто експлуатаційних порушеннях електропостачання, у тому числі і при миттєвих порушеннях. Механічним аналогом стабілізатора фаз з нульовою фазою є діжка. Центр дна діжки або вісь колеса. І центр дна бочки і вісь колеса зміцнюють своє розташування при добротній посадці обручів. На фіг.5 показана просторова-топографічна модель стабілізатора фаз 34 у вигляді обруча. Стабілізатор фаз 34 (обруч) закріплює потенціали фаз А1, В1, С1, D1, Е1, F1 входу багатофазного кола на лінії годографа стабілізатор фаз 34 (кола обруча з потенціалами фаз А2, В2, С2, D2, Е2, F2) при умові, якщо енергія прямує до вихідних фаз, помічених позначками A3, В3, С3, D3, Е3, F3. Роботу стабілізаторів фаз та їх властивості розглянемо для спрощення на прикладі трифазної чотирипровідної мережі, показаної на фіг. 6. На цій фігурі зображена принципова схема мережі, лінія якої зміцнена з двох боків за допомогою двох стабілізаторів фаз СФ1 та СФ2. Роботу такої мережі проаналізуємо у двох режимах роботи: - при відсутності обриву проводу фази В лінії; - у випадку обриву проводу фази А лінії. При відсутності обриву стабілізатори фаз СФ1 та СФ2 знаходяться у режимі холостого ходу і практично не впливають на роботу мережі; по всій довжині лінії мережі має місце симетричний режим, тобто рівність амплітуд струмів у всіх лінійних проводах за винятком проводу нульової фази, у якій струм дорівнює нулю: І(А4) = І(А5) = І(А6) = І(А7) = 1,0, (1) І(В4) = І(В5) = І(В6) = І(В7) = 1,0, (2) І(С4) = І(С5)=І(С6) = І(С7) = 1,0, (3) I(04) = I(05) = I(06) = I(07) = 0,0, (4) де в (1)-(4) позначено; І(А4), І(А5), І(А6), І(А7) - струми фази А у проводах А4, А5, А6, А7 фази А); і т.і. При обриві проводу фази А (фіг.6) розглядаємо роботу трьох частин лінії мережі: першої до стабілізатора СФ1; другої - між стабілізаторами СФ1 та СФ2; третьої - після стабілізатора СФ2. Режим першої та третьої частин лінії мережі, обмежених стабілізаторами фаз СФ1 та СФ2 зовні, після обриву проводу лінії мережі не змінюється, тобто залишається симетричним І(А4) = І(А7)=1,0, (5) І(В4) = І(В7)=1,0, (6) І(С4) = І(С7)=1,0, (7) I(04) =I(07) = 0,0, (8). При обриві проводів декількох фаз лінії мережі та у багатьох інших випадках, пов'язаних з порушеннями симетричного режиму роботи, стабілізатори СФ1 та СФ2 вступають у роботу. У протилежність до режиму першої та третьої частин лінії мережі режим другої частини лінії мережі, обмеженої стабілізаторами фаз СФ1 та СФ2, при обриві потерпає від внесених змін, тобто стає різко несиметричним у першу чергу за струмами: І(А5) = І(А6) = 0,0, (9) 1/2 І(В5) = І(В6) = (3) , (10) 1/2 І(С5) = І(С6) = (3) , (11) І(05) = І(06)= 3,0, (12) 8 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Слід звернути увагу на такі факти у трьох частинах лінії мережі, один або декілька проводів якої - обірвані: 1.Стабілізатор фаз СФ2 створює (генерує) або компенсує (фільтрує) струми нульової послідовності I(06), замість того, щоб тільки фільтрувати струми нульової послідовності, оскільки СФ2 є не тільки стабілізатором фаз, але й фільтром струмів нульової послідовності; СФ2 виконаний у вигляді схеми зиґзаґ, але заміна схеми СФ2 іншою схемою, наприклад, схемою Скотта дає аналогічний результат; цей фундаментальний факт змушує нас поставити під сумнів правомірність застосування терміну "фільтр струмів нульової послідовності" до пристроїв такого роду до автотрансформаторів та трансформаторів, оскільки такий фільтр згідно з визначенням має зменшити ймовірні струми нульової послідовності до нуля, а не навпаки, - їх генерувати. 2. Стабілізатори СФ1 та СФ2 виконують пряме та зворотне перетворення конфігурації режимів фаз мережі: стабілізатор СФ1 перетворює симетричну систему напруг з коефіцієнтами несиметрії за зворотною та нульовою послідовностями К2u = 0 та К0u = 0 (13) та систему струмів з коефіцієнтами несиметрії за зворотною та нульовою послідовностями К2і = 0 та К0і = 0 (14) у несиметричну систему з коефіцієнтами несиметрії напруг та струмів K2u = -1/3; K0u = -1/3; K2i = 0; Коі = -1,0 (15). Пряме та зворотне параметричне перетворення виконується миттєво і без участі автоматики або експлуатаційного персоналу; підкреслимо, що перетворення коефіцієнтів несиметрії напруг та струмів (13) та (14) в (15) і навпаки свідчить про появу нової властивості стабілізатора фаз, за який виступають автотрансформатори та трансформатори; при цьому симетрична система напруг та струмів першої частини лінії мережі перетворюється у різко несиметричну систему напруг та струмів у другій частині лінії мережі, де відбувся обрив проводу однієї з лінійних фаз (А); у другій частині лінії мережі енергія передається лише по частині проводів; в третій частині лінії мережі симетричний режим практично відновлюється, несиметрія напруг та струмів зникає, в результаті чого споживачам на приймальному кінці мережі передається енергія високої якості, незважаючи на аварію лінії мережі. Указані перетворення належать до фундаментальних основ електротехніки та енергетики і стали можливими завдяки введенню стабілізаторів фаз. 3. Завдяки дії стабілізатора фаз СФ2 виникає генерація фазної напруги у фазі А6 на приймальному кінці другої частини лінії мережі; генерована напруга у фазі А6 передається у третю частину лінії мережі на затискач А7. Зазначимо, що потенціал генерованої фази А6 завжди синхронний за частотою мережі та синфазний за фазним кутом до напруги фази А5 і незначно залежить від величини навантаження споживачів мережі. Отже застосування автотрансформатора як стабілізатора фаз дає можливість штучно генерувати страхуючі фази на випадок обриву одного або декількох проводів лінії мережі. Така генерація напруги у обірваному проводі мережі також належить до фундаментальних властивостей стабілізатора фаз. 4. Завдяки дії стабілізатора фаз СФ2 на обірваному кінці проводу (у фазі А6) виникає генерація симетричних складових напруг та струмів прямої (Uрном*(1/3)), зворотної (Uрном*(1/3)) та нульової (Uрном*(1/3)) послідовностей, які перетворюють несиметричний режим передачі енергії у другій частині лінії у симетричний режим третьої частини лінії мережі. У виразах Uрном - робоче значення фазної напруги при симетричному режимі. Ця генерація симетричних складових напруг та струмів у обірваному проводі (А6) мережі також належить до фундаментальних властивостей стабілізатора фаз. 5. Застосування автотрансформатора або трансформатора як стабілізатора фаз забезпечує ще одну фундаментальну властивість: параметричну врівноваженість режиму передачі енергії як у симетричних, так і несиметричному режимах. Як відомо, врівноваженість режиму передачі енергії як у симетричному, так і несиметричному режимах визначається рівністю нульової пульсуючої потужності N багатофазного кола, а саме: N=3U1*I2+3U2*I1+3U0*I0=0, (16) де: U1, U2, U0 та I1, I2, I0 - вектори симетричних складових напруг та струмів прямої, зворотної та нульової послідовностей відповідно. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що рівність (16) задовольняється з похибкою до 3 % у всіх трьох частинах лінії мережі. 6. Наступний фундаментальний ефект стабілізатора фаз полягає у обмеженні надструмів трансформаторів підстанцій шляхом замикання їх на автотрансформатори стабілізаторів фаз. Як передбачалось багатьма дослідниками, зокрема Carlos'oM G.-M. у праці "Series fault in six 9 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 phase electrical power system.:Elec. syst. Res.", 1987, 13,No 2, 109-117" при виникненні одного або трьох обривів проводів у шестифазній лінії мережі виникають небезпечні надструми, які у 1,1-3,5 разу можуть перевищувати номінальні значення струмів силових трансформаторів 41 та 56 підстанцій (фіг.8). Наші експериментальні дослідження показали (фіг.8), що надструми силових трансформаторів 41 та 56 підстанцій можуть досягати 4,4 - кратного значення від номінального струму трансформаторів підстанцій. При таких надструмах допустима тривалість роботи силового трансформатора підстанції знижується до 2-3 секунд, після чого такий трансформатор перегрівається і згорає. Це означає, що надструми, які виникають у проводах необірваних фаз при обриві одного або трьох проводів, приводять до аварії, при якій відімкнення лінії мережі є обов'язковим для збереження цілісності решти мережі. Для усунення указаного недоліку нами застосоване ввімкнення двох стабілізаторів фаз 42 та 55, які обмежують надструми силових трансформаторів підстанцій, причому ці надструми відводяться від трансформаторів і закорочуються за допомогою стабілізаторів фаз 42 та 55. При введенні стабілізаторів фаз надструми силових трансформаторів повністю зникають; кратність зростання струмів стабілізаторів фаз сягає 3,4 - кратного значення номінального струму трансформаторів підстанцій, що гарантовано забезпечує необмежену по часу тривалість роботи силових трансформаторів без перевантаження. Ця властивість є також фундаментальною. 7. У процесі дослідження стабілізатора фаз встановлена роль тісного електромагнітного зв'язку між фазами в автотрансформаторі та у процесах перетворення симетричної систем напруг та струмів у несиметричні системи напруг та струмів (фіг.6). Особливості конструкції стабілізатора фаз (компенсація магнітного потоку розсіювання та порівняно малий резистивний опір обмоток) забезпечують порівняно високий коефіцієнт корисної дії стабілізатора фаз (близько 99,3-99,5 %). Тому виникає питання: яким чином потужність симетричного режиму практично повністю перетворюється у потужність несиметричного режиму? Дослідження показали, що таке перетворення здійснюється і стало можливим з допомогою тісного електромагнітного зв'язку між фазами стабілізатора фаз. Покажемо, що таке перетворення відбувається шляхом передачі активної енергії між фазами стабілізатора. Для спрощення скористаємось трифазною мережею, показаною на фіг.6. Припустимо, що у першій частині (А4, В4, С4, 04) лінії мережі діють у відносних одиницях: активна потужність Р=3,0; фазна робоча напруга Uф=1,0 та лінійні симетричні струми Іл=1,0. Запишемо вектори напруг та струмів по фазах першої частини лінії мережі. j0 j240 j120 U(A4)=1,0*e °; U(B4)=1,0*e °; U(C4) = 1,0*e °; (17) j0 j240 j120 I(A4)=1,0*е* °; I(B4) = 1,0*e °; I(C4) = 1,0*e ° (18) Активні потужності по фазах першої частини кола рівні: Р(А4)=1,0; Р(В4)=1,0; Р(С4)=1,0. (19) Сумарна потужність по фазах першої частини лінії мережі рівна 3,0. Вимірювання та розрахунок векторів напруг та струмів по фазах другої частини (А5, В5, С5, 05) лінії мережі показали такі значення: j0 j240 j120 U(A5) = 0,0*e °; U(B5)=1,0*e °; U(C5) = 1,0*e °; (20) j0 1/2 j210 1/2 j150 І(A5) = 0,0*e °; I(B5) = (3) *e °; I(C5) = (3) *e °. (21) Активні потужності по фазах другої частини кола рівні: 1/2 1/2 Р(А5) =0,0; Р(В5) =1,0* (3) * COS(30°) = 3/2; Р(С5) =1,0** (З) * COS(30°) = 3/2. (22) Сумарна потужність по фазах другої частини лінії мережі відповідно до (22) також рівна 3,0. Як видно з розрахунків, сумарна активна потужність по фазах не змінилась при перетворенні симетричної системи напруг та струмів у несиметричну, але з порівняння (19) та (22) випливає, що при вказаному перетворенні фаза А4 віддає першу половину своєї потужності фазі В5, а другу половину своєї потужності фаза А4 передає фазі С5. Отже стабілізатор фаз при обриві фази А передає активну (та реактивної) потужність (енергію) з фази А у фази В та С лінії мережі. Розкриємо механізм передачі енергії з фази А4 у фази В5 та С5 при перетворенні симетричної системи напруг та струмів у несиметричну систему напруг та струмів (фіг.7). Передача енергії між фазою А4, з одного боку, та фазами В5 та С5, з другого боку, може здійснюватись по обмотках стабілізатора фаз електричним та електромагнітним способами. j0 Струм фази А4 (І(А4) = 1,0*e °) протікає по обмотках 35 та 36 (фіг.7), а далі прямує до фази 05, в результаті чого струм у нульовому проводі 05 збільшується на першу одиницю (1,0). Обмотка 35 знаходиться у тісному електромагнітному зв'язку з обмоткою 38, яка рівна їй за кількістю витків і розташована на тому ж стрижні тристрижневого магнітопроводу. Тому в обмотці 38 індукується струм рівний другій одиниці, який, з одного боку прямує до нульової фази 05, а, з другого боку, прямує до фази А5. Струм обмотки 38 збільшує струм у фазі 05 до двох одиниць, j0 а струм (І(А4) = 1,0* e °) від обмотки 38 у фазі В5 геометрично підсумовується зі струмом І(В4), 10 UA 105553 C2 1/2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 j210 j0 в результаті чого струм І(В5) стає рівним (З) *e °. Подібно до цього струм (І(А4) = 1,0*e °) обмотки 36 індукує в обмотці 40 третю одиницю струму, яка прямує також у фазу 05 і доповнює струм фази 05 до трикратного значення. З другого боку, індукований обмоткою струм прямує у фазу С5, у якій геометрично сумується зі струмом С4 і доводить струм фази С5 до величини 1/2 j150 І(С5) = (3) *e °. У стабілізаторі СФ1 обмотки 37 та 39 обтікаються рівними по величині та j0 направленими назустріч струмами І(А4) = 1,0*e °, через що намагнічуючі та розмагнічуючі ампер-витки обмоток 37 та 39 взаємно компенсуються, тому між фазами В5 та С5 перетоків енергії не відбувається. Отже стабілізатор фаз є також насосом для перекачки активної (та реактивної) енергії з однієї фази в інші, і навпаки. Зворотну перекачку енергії з фаз В6 та С6 у фазу А виконує стабілізатор фаз СФ2. При цьому механізм перекачки енергії між фазами аналогічний описаному. Це свідчить про те, що при зміні початкових умов напрямок перекачки енергії може змінитися на зворотний. Крім того, зміною початкових умов перекачки можна досягти дозованої величини перекачуваної енергії. Тому перекачка і дозування енергії між фазами стабілізатора фаз є ще одною фундаментальною характеристикою стабілізатора фаз. Перераховані сім властивостей стабілізатора фаз ґрунтуються на теорії жорстких вузлів топографічного методу, які відповідають поняттю твердого тіла в теоретичній механіці. Ці властивості стабілізатора фаз можуть бути досягнуті шляхом застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісними міжфазними зв'язками як стабілізатора фаз. Багатофазний автотрансформатор або багатофазний трансформатор застосовується як стабілізатор фаз багатофазних кіл малої, середньої та великої потужності. Декілька однофазних автотрансформаторів або трансформаторів застосовуються як стабілізатор фаз у багатофазних колах надвеликої потужності. На фіг.8 показана блок-схема просторово-топографічного зображення мережі з високою надійністю та живучістю. Висока надійність та живучість досягнута шляхом застосування багатофазного автотрансформатора у виготовленні стабілізаторів фаз 42 та 55. При обриві проводу фази А у вказаному пункті працюючої лінії мережі фаза А знеструмлюється лише у межах лінії А9-А10, а у проводах фаз В, F та D лінії мережі виникають надструми. Надструми проходять по проводах фаз у межах ділянок В9-В10, F9-F10 та D9 та D10. У проводах фаз С9С10 та Е9-Е10 при обриві проводу фази А надструми практично не виникають. Вказані надструми становлять загрозу для трансформаторів 41 та 56 особливо при обриві трьох проводів лінії мережі, причому настільки, що ці трансформатори можуть вийти з ладу за декілька десятків секунд. Надструми при обриві фази А не проникають у трансформатори 41 та 56 підстанцій, а замикаються на стабілізатори фаз 42 та 55 і тому не виходять за межі названих стабілізаторів фаз. Це означає, що у вихідних виводах вхідного трансформатора 41 та у вхідних виводах вихідного трансформатора 56 надструми відсутні завдяки їх відводу з допомогою стабілізаторів фаз 42 та 55. По виводах А8, В8, С8, D8, Е8, F8 та А11, В11, С11, D11, Е11, F11 і обмотках трансформаторів 41 та 56 протікають: - по-перше, лише симетричні струми; - по-друге - лише струми, які обумовлені навантаженням; - по-третє - лише робочі струми навантаження споживачів, які менші або рівні за величиною від номінальному струму трансформаторів підстанцій. Отже застосування автотрансформаторів як стабілізаторів фаз забезпечило нормальну роботу електропостачання споживачів по лінії мережі з частиною обірваних фаз. При обриві проводів лінії (фіг.8) величина коефіцієнта несиметрії напруг за зворотною послідовністю на приймальному виході трансформатора 56 не перевищує допустимі норми при порівняно малих значеннях індуктивних (43-48) та резистивних (49-54) опорах проводів лінії мережі. Залежність коефіцієнта несиметрії напруг за зворотною послідовністю К0u2 виходу мережі від кількості обривів проводів фаз мережі Nобр при опору лінії Zп0 та при потужності споживачів Рн = Рном показана на фіг.9. Зі збільшенням кількості обірваних проводів Nобр та опору Zn проводу лінії мережі зростає коефіцієнт несиметрії напруг за зворотною послідовністю К0u2. Якщо коефіцієнт К0u2 перевищує допустиме значення, кількість стабілізаторів фаз збільшують. При обриві проводів лінії (фіг.8) величина пропускної потужності зменшується незначно. Залежність пропускної активної потужності Р % виходу мережі від кількості обривів проводів фаз мережі Noбp при Zп0 та Рн  Рном показана на фіг. 10. Із наведеного графіку видно, що при обриві двох проводів пропускна здатність мережі зменшується на 0,6 %, а при обриві трьох проводів пропускна здатність мережі зменшується на 6,0 %. Розглянемо два випадки впливу коротких замикань на землю або між лінійними фазами на роботу мережі із стабілізаторами фаз. У першому випадку за величиною струму короткого 11 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 замикання на землю спрацьовує захист від замикання на землю, який вимикає два швидкодіючі однополюсні вимикачі, ввімкнені послідовно з проводом кожної фази лінії мережі кожної підстанції. Тобто пошкоджений провід на землю знеструмлюється з обох боків. Після цього мережа переходить у тривалий режим з обірваною фазою. У другому випадку (короткому замиканні між лінійними фазами) існує принаймні два варіанти дій. За першим варіантом захист виконує відключення одразу двох проводів з боку кожної підстанції за допомогою швидкодіючих однополюсних вимикачів, якщо коефіцієнт несиметрії напруг за зворотною послідовністю не перевищує допустимого значення (4 %). У разі такого перевищення захист вимикає один з проводів фази лінії мережі з кожного боку підстанції за допомогою однополюсного швидкодіючого вимикача. І у цьому варіанті лінія мережі переходить у тривалий режим роботи з обірваною фазою. В результаті досягається багатократне підвищення надійності та живучості мережі. Лабораторні дослідження підтвердили вище наведені вище властивості автотрансформаторів та трансформаторів, використаних у ролі стабілізатора фаз. Значення застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісними міжфазними зв'язками як стабілізатора фаз. З публікацій EPRI (США) відомо, що підтримка якості і неперервності електропостачання є основною проблемою електроенергетики у США. Збитки від неякісної енергії та перерв живлення перебільшують 100 млрд доларів США на рік і мають тенденцію до геометричного зростання. З цих причин уряд США та близько 40 інших країн розробили програму Smart Grid, направлену на різке підвищення надійності та живучості системоутворюючих та розподільчих мереж. Програма Smart Grid є державною політикою розвитку електроенергетики майбутнього в країнах США, Європейському Союзі, Росії, Канаді, Китаї і інших країнах. У програмі Smart Grid приділена велика увага автоматизації та комп'ютеризації режимів експлуатації електроенергетичних систем, але приділена, на наш погляд, недостатня увага розвиткові силової частини електроенергетичних систем, і тому даний винахід гармонійно доповнює методи та засоби підвищення надійності, живучості та ефективності електроенергетичних систем. Автотрансформатори у ролі стабілізаторів фаз забезпечують підвищення надійності та живучості електропостачання у сотні раз. Стабілізатор фаз, виконаний на базі багатофазного автотрансформатора, є новим елементом електротехніки та електроенергетики. Галузь використання. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз призначене для захисту від обривів проводів та їх коротких замикань у багатофазних електричних колах, якими є: електричні мережі, електричний привід, засоби перетворювальної техніки, стабілізації напруги, безкомутаційного перемкнення мереж, засоби симетрування режимів багатофазних мереж, засоби компенсації вищих гармонік напруг та струмів, засоби резервування, захисту від ожеледі, від грозових пошкоджень, від енергетичних атак та ЕМІ. Тобто стабілізатор фаз на базі автотрансформатора є засобом для забезпечення неперервності та відновлення електропостачання. Джерела інформації: 45 50 55 1. Бамдас А.М., Кулинич В.А., Шапиро С.В. Статические электромагнитные преобразователи частоты и числа фаз. М.-Л., Госэнергоиздат, 1961. 2. Боргунов В.Г., Королюк Ю.Ф., Крупович М.С., Крылова И.М. Устройство для передачи электроэнергии. Авторское свидетельство СССР № 655018, МПК H02J 3/00. Публиковано 30.03.1979. 3. Крысанов В.Н. Симметрирование напряжения в электрических сетях.//Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж.-2009.-№1. 4. Bergmann-Elektrizitat-Werke. Spartransformator mit compensierten primaren und sekundaren Amperewindungen und herausgefuhrter Neutralen. Patent Deutsche Reich Nr 258438, Kl.21d gruppe 49, 05.04.1913. 5. Куликовский А.А., Система городских распределительных сетей низкого напряжения с искусственными нейтральными точками. // Электричество.-1947.-№9.- С. 45-54. 6. Menke W.W., Croft F.B., Nay J.J. Power distribution transformer for non-linear loads. Patent US No 5416458, Int. Cl. H01F 33/00, U.S. Cl. 336/12. Публікований 16.05.1995. 7. Levin M.I. Zero phase sequence current filter with adjustable impedance. Patent US No 5406437, H02H 7/08. Публіковано 11.04.1995. 12 UA 105553 C2 5 10 15 20 25 8. Levin M.I. Phase shifting transformer with low zero phase sequence impedance. Patent US No 5801610,H01F 33/00. Публіковано 01.09.1998. 9. Levin M.I. Phase shifting transformer with low zero phase sequence impedance. Patent US No 5982262, H01F 30/12. Публіковано 09.11.1999. 10. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О., Музиченко О.О. Фільтр струмів нульової послідовності. Патент України № 34226, МПК Н01Н 07/08, Н02М 07/53. Публікований 15.02.2001, Бюл. № 1, 2001. 11. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Фільтр струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Патент № 93809. МПК Н02М 1/12; H02J 3/00. Публіковано 10.03.2011. Бюл. № 5, 2011. 12. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Фільтр струмів основної та вищих гармонік нульової послідовності. Патент № 93810. МПК Н02М 1/12. Публікований 10.03.2011. Бюл. №5, 2011. 13. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Фільтр струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік. Заявка № а 2010 13567 від 15.11.2010 на патент України на винахід, МПК Н02М 1/12. Подана 15.11.2010. 14. Музиченко О.Д., Музиченко Ю.О. Енергозбереження при масовому застосуванні нелінійних приймачів електричної енергії. Матеріали доповіді на науково-практичній конференції "Енергозбереження та енергозберігаючі технології", м. Дніпропетровськ, Національний гірничий університет, 6-7 грудня 2007. 15. Шидловский А.К., Новский В.А., Каплычный Н.Н. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. АН УССР. - Киев: Наукова думка, 1989.312с. 16. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Трифазний автотрансформатор. Патент України № 74960, МПК H01F 17/02, публіковано 15.02.2006. 17. Музиченко О.Д. Основи топографічного методу дослідження електричних кіл (Топографічні зображення та їх застосування). - Київ, 1978.-47 с (Препринт /АН УССР, Інститут електродинаміки, 168). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 1. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора потенціалів лінійних та/або нульової фаз багатофазного кола, далі стабілізатор фаз. 2. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за п. 1, для генерування принаймні однієї напруги у принаймні одній обірваній фазі багатофазного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі. 3. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1 та 2, для генерування симетричних складових напруг прямої, зворотної та нульової послідовностей у принаймні одному проводі принаймні однієї обірваної фази багатофазного кола, наприклад, у багатофазній лінії мережі. 4. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1-3 для параметричного перетворювання та врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного кола, одною з яких є електрична машина змінного струму. 5. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1-3 для параметричного перетворювання та параметричного врівноваження режимів принаймні двох частин багатофазного кола, перша з яких має симетричний режим, а друга має несиметричний режим і навпаки. 6. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1-5 для виконання параметричного врівноваження режимів частин електричної та/або електродинамічної систем, наприклад, таких як "лінія-двигун", "лініягенератор", "лінія-трансформатор" або "лінія-автотрансформатор", кожна частина яких працює при симетричному та/або несиметричному режимах. 13 UA 105553 C2 5 10 7. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1-6 для виконання обмеження надструмів трансформаторів підстанцій при обривах проводів багатофазних кіл, наприклад, електричних мереж. 8. Застосування одного багатофазного або декількох однофазних автотрансформаторів, або ж одного багатофазного або декількох однофазних трансформаторів з тісним міжфазним зв'язком як стабілізатора фаз за пп. 1-7 для виконання ролі резервних синхронізованих та синфазованих джерел живлення багатофазних кіл, нормальна робота фаз яких порушена внаслідок передбачених та непередбачених обставин, наприклад, при перемиканні виводу обмотки регулюючого автотрансформатора, при перегоранні обмотки двигуна, при обриві проводу однієї з фаз, при перемиканні електричних мереж. 14 UA 105553 C2 15 UA 105553 C2 16 UA 105553 C2 17 UA 105553 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 18