Трифазна електрична мережа

Трифазна електрична мережа, що містить джерело трифазних напруг з нейтральною точкою і відповідно три фазних і нейтральний провідники, перетворювач трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг з штучною нейтральною точкою, вхідні затискачі якого підключено до фазних провідників трифазної мережі, та дві групи електроприймачів, першу з яких підключено до фазних провідників системи з нейтральним провідником, а другу - до фазних провід 3 тискачі нульових фаз трифазного навантаження та ФСНП з'єднані між собою та через повздовжню включену конденсаторну батарею приєднані до нейтральної точки джерела трифазної напруги [Щидловський А.К., Музиченко А.Д., Трофименко А.П., Лога В.В., Денисенко О.Г., Долгинцев А.В. Трехфазная электрическая сеть Авторское свидетельство СССР № 1504725 МКИ Н02J3/26 Опубліковано 30.08.89. Бюл. № 32]. Ця трифазна мережа забезпечує параметричне симетрування напруг на затискачах трифазного навантаження. При обриві однієї з фаз мережі в ній виникає несиметрична система напруг, викликана зсувом потенціалу нейтральної точки навантажень, відносно нейтральної точки генератора. Для компенсації зсуву потенціалу нейтральної точки введено конденсаторну батарею. У випадку повнофазного режиму при симетричному навантаженні конденсаторна батарея не впливає на режим роботи мережі і навантажень, тому що струм в нейтральному провіднику не протікає. Саме наявність повздовжньої конденсаторної батареї в колі нейтрального провідника, що може викликати небажані резонансні режими є головним недоліком такої трифазної мережі. Крім того, завдяки виникненню несиметрії струмів в джерелі трифазної напруги при обриві одного з фазних провідників виникає потреба у застосуванні додаткового керованого симетруючого пристрою. Найбільш близьким технічним рішенням до трифазної електричної мережі, що заявляється, і прийнятим за прототип, є електрична трифазна мережа з нульовою фазою, що містить джерело трифазних напруг з нейтральною точкою і відповідно три фазних і нейтральний провідники, перетворювач трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг з штучною нейтральною точкою, вхідні затискачі якого підключено до фазних провідників трифазної мережі та дві групи електроприймачів, одну з яких підключено до фазних провідників мережі з нейтральним провідником, а другу - до фазних провідників мережі зі штучною нейтральною точкою, причому даний перетворювач виконано як ФСНП автотрансформаторного типу з гальванічним зв'язком входу з виходом, що включає тристрижневий магнітопровід і дві групи обмоток з однаковою кількістю витків у кожній, кінці яких з'єднано по схемі зустрічний зигзаг, при цьому початки першої групи обмоток створюють вхідні затискачі перетворювача, а початки другої групи обмоток об'єднані між собою і утворюють штучну нейтральну точку [Щидловський А.К., Музиченко А.Д., Трофименко А.П., Лога В.В., Хоменко В.В., Заика П.Н., Бочарников М.Я. Электрическая трехфазная сеть с нулевой фазой Авторское свидетельство СССР № 1571723 МКИ Н02J3/26 Опубліковано 15.06.90 Бюл. № 22]. Поліпшення якості електроенергії у відповідальних електроприймачах, які потребують електроенергії високої якості, шляхом забезпечення на них симетричної системи напруг при обриві однієї з фаз мережі, досягається за рахунок з'єднання, на час аварійного режиму, нейтрального провідника мережі і штучної нейтральної точки за допомогою додаткового силового ключового елемента, спо 65104 4 рядженого блоком комутації. Керування останнім здійснюється по сигналах логічного блока в залежності від сигналів відповідних датчиків струмів і напруг мережі. Першим недоліком прототипу є використання силового ключа з блоком комутації, який включає три датчики струмів, три датчики напруг та відповідний логічний елемент, що ускладнює схему мережі та зменшує надійність її роботи. Крім того, додаткові комутаційні елементи, залежно від способу їх фізичної реалізації, вносять певні затримки у часі. При цьому зменшується швидкодія пристрою, збільшується вірогідність виникнення неприпустимих перехідних режимів, які супроводжуються зростанням величини фазних напруг до значень міжфазних, з відповідним погіршенням якості електроенергії на затискачах відповідальних електроприймачів. Крім того, в даному пристрої за рахунок введення комутаційних елементів суттєво погіршується процес параметричного симетрування напруг на затискачах електроприймачів, чутливих до порушень якості напруги. Тим самимзникає можливість створення в межах діючих електромереж з навантаженнями, що викликають спотворення якості електроенергії, локальної ділянки трифазної мережі з гарантовано високою якістю фазних напруг. Слід зазначити і недолік, пов'язаний з різними рівнями потужностей двох трифазних електричних систем у складі мережі, що розглядається, і необхідністю вибору оптимальної потужності ФСНП. Дійсно для створення штучної нейтральної точки в даній мережі використовується електромагнітний апарат, потужність якого повинна бути достатньою для отримання тільки штучної нейтральної точки з потрібною для нормальної роботи відповідальних електроприймачів стабільністю нейтральної точки. Якщо в нормальному повнофазному режимі цього вистачає для отримання прийнятної якості електроенергії на затискачах відповідальних електроприймачів, то в аварійному режимі, наприклад, при обриві фазного провідника потужності ФСНП недостатньо для підтримання необхідної стабільності потенціалу нейтрального провідника, який просто з'єднується за допомогою силового ключового елементу зі штучною нейтральною точкою. Відповідно якість електроенергії на затискачах відповідальних споживачів визначатиметься в цьому випадку якістю електроенергії основної мережі. Покращити якість електроенергії можна тільки за рахунок певного підвищення потужності ФСНП з метою стабілізації потенціалу нейтрального провідника основної мережі або шляхом введення додаткового симетруючого пристрою. В цьому випадку в нормальному повнофазному режимі надлишкова потужність ФСНП використовується нераціонально. Технічна задача корисної моделі є створення такої трифазної електричної мережі, в якій шляхом реалізації принципу параметричного симетрування напруг та завдяки введенню в перетворювач трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг з штучною нейтральною точкою додатково третьої групи обмоток, що ство 5 рюють другу штучну нейтральну точку, яку з'єднано з нейтральним провідником трифазної мережі, буде досягнуто спрощення схеми мережі, підвищиться якість електроенергії, надійність та ефективність роботи, як у нормальних, так і у аварійних режимах при обриві фазних провідників. Поставлена задача вирішується тим, що в трифазній електричній мережі, що містить джерело трифазних напруг з нейтральною точкою і відповідно три фазних і нейтральний провідники, перетворювач трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг з штучною нейтральною точкою, вхідні затискачі якого підключено до фазних провідників трифазної мережі, та дві групи електроприймачів, першу з яких підключено до фазних провідників системи з нейтральним провідником, а другу - до фазних провідників системи зі штучною нейтральною точкою, причому даний перетворювач виконано як ФСНП автотрансформаторного типу з гальванічним зв'язком входу з виходом, що включає тристрижневий магнітопровід і дві групи обмоток з однаковою кількістю витків у кожній, кінці яких з'єднано по схемі зустрічний зигзаг, при цьому початки обмоток першої групи створюють вхідні затискачі перетворювача, а початки обмоток другої групи з'єднано у загальну точку, що створюють штучну нейтральну точку, в згаданий перетворювач додатково введено третю групу обмоток з кількістю витків, що дорівнює кількості витків обмоток перших двох груп, при цьому початки обмоток третьої групи об'єднано у другу штучну нейтральну точку, яку з'єднано з нейтральним провідником трифазної мережі, а кінці - по схемі зустрічний зигзаг підключено паралельно до відповідних кінців обмоток перших двох груп обмоток перетворювача. Технічним результатом застосування корисної моделі є можливість створення в межах існуючих електричних мереж локальних ділянок трифазних електричних мереж зі штучною нейтраллю для безперебійного живлення відповідальних споживачів, які потребують високої якості напруг в тому числі і в аварійних режимах, наприклад, пов'язаних з обривами фаз мережі. На основі наведеного вище можна зробити висновок, що сукупність суттєвих ознак, що викладені у формулі корисної моделі є необхідною і достатньою для досягнення нового технічного результату: спрощення схеми мережі, підвищення якості електроенергії, надійності та ефективності роботи мережі. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено принципову схему трифазної електричної мережі, що заявляється; на фіг. 2 - принципову схему перетворювача трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг зі штучною нейтральною точкою; на фіг. 3 - векторну діаграму напруг на обмотках перетворювача при обриві, наприклад, фази А. До складу трифазної електричної мережі (фіг. 1) входять: джерело трифазної симетричної системи напруг 1 з фазами А, В, С та нейтральною точкою О; фазні провідники 2, 3, 4 та нейтральний провідник 5 з опорами zл; електроприймачі, що 65104 6 порушують якість електричної енергії 6, 7, 8, які мають опори, відповідно, zA, zB, zC; перетворювач трифазної системи напруг без нейтральної точки в трифазну систему напруг зі штучною нейтральною точкою 9; вхідні затискачі згаданого перетворювача 10, 11, 12; затискачі двох штучних нейтральних точок 13, 14; фазні та нейтральні провідники мережі зі штучною нейтральною точкою відповідно 15, 16, 17 та 18 з oпоpaми zл1 відповідальні електроприймачі чутливі до порушень якості електроенергії 19, 20, 21 з опорами відповідно za, zb, zс і провідник, що з'єднує другу штучну нейтральну точку з нейтральним провідником мережі 22. Представлений на фіг. 2 перетворювач трифазної системи напруг без нульової точки в трифазну систему напруг зі штучною нульовою точкою виконано як ФСНП автотрансформаторного типу з гальванічним зв'язком входу з виходом, що включає тристрижневий магнітопровід і три групи обмоток I, II, III пo три в кожній. Початки обмоток першої групи І створюють вхідні затискачі ФСНП 10, 11, 12, початки обмоток другої групи II об'єднано і створюють першу штучну нейтральну точку 13; початки обмоток третьої групи III об'єднано в другу штучну нейтральну точку 14. Кінці обмоток першої групи (І) з'єднано паралельно з кінцями обмоток другої (II) та третьої (ІІІ) груп згідно зі схемою зустрічний зигзаг. Вхідні затискачі перетворювача 10, 11, 12 приєднано до відповідних фаз мережі (точки а, b, с), а також до фазних провідників 15, 16 17 системи напруг зі штучною нейтральною точкою. Електроприймачі 6, 7, 8 підключено до фазних провідників мережі (точки а, b, с) по схемі зірка і створюють нейтральну точку О1, яку з'єднано з нейтральним провідником мережі 5. Відповідальні електроприймачі 19, 20, 21 підключено до фазних провідників 15, 16, 17 по схемі зірка і створюють нейтральну точку О2, яку через провідник 18 з'єднано затискачем першої штучної нейтральної точки 13. Затискач другої штучної нейтральної точки 14 через провідник 22 підключено до нейтрального провідника мережі 5. Робота трифазної електричної мережі в нормальному режимі експлуатації полягає у наступному. Енергія трифазного струму від джерела трифазної симетричної системи напруг з нейтральною точкою за допомогою відповідно трьох фазних та нейтрального провідника подається до групи електроприймачів zA, zB, zC (6, 7, 8). Одночасно ці напруги через ФСНП з гальванічним зв'язком входу з виходом подаються і до групи відповідальних електроприймачів za, zb, zc (19, 20, 21), чутливих до порушень якості електроенергії. В даній електричній мережі фактично існують дві різні трифазні електричні системи, які відрізняються тільки способом підключення нейтральних точок груп навантажень до джерела І. В загальному випадку електроприймачі першої системи мають різні опори (zA≠zB≠zC) i нерівномірно розподілені по фазам мережі, що призводить до виникнення в системі струму нульової послідовності, який, протікаючи по елементах системи, викликає зсув нейтральної точки О1 і, відповідно, зниження якості електроенергії та несиметрію сис 7 теми фазних напруг. При цьому система міжфазних напруг даної електричної системи практично не порушується, тому що при такому підключені струм зворотної послідовності, який спричиняє порушення симетрії системи міжфазних напруг, в порівнянні зі струмом нульової послідовності, має незначну величину. Для живлення відповідальних електроприймачів, чутливих до порушень якості електроенергії, використовується друга трифазна електрична система, яка включає трифазну електричну систему напруг без нейтральної точки того самого джерела І, ФСНП 9 для створення штучної нейтральної точки, трифазну систему навантажень, 19, 20, 21, які з'єднано в зірку. Нейтральна точка О2 цієї трифазної електричної системи знаходиться практично в геометричному центрі трикутника міжфазних напруг джерела І, і її нестабільність завдяки незначному опору нульової послідовності ФСНП визначається стабільністю трикутника міжфазних напруг. Таким чином, у повнофазному режимі роботи маємо дві трифазні електричні системи з різними незалежними нейтральними точками та різними рівнями якості електричної енергії. У випадку неповнофазного режиму роботи електричної мережі стабільність трикутника міжфазних напруг порушується. Наприклад при обриві одного з фазних провідників рівносторонній трикутник міжфазних напруг перетворюється в рівнобедрений трикутник. При цьому опір нульової послідовності ФСНП суттєво зростає, що рівноцінно обриву нейтрального провідника в другій трифазній електричній системі з відповідним погіршенням якості електроенергії в цій системі, що неприпустимо для електроприймачів, приєднаних до цієї системи. 65104 8 В мережі на фіг. 1 затискач другої штучної нейтральної точки 14 ФСНП приєднано провідником 22 до нейтрального провідника 5 першої трифазної електричної системи. В даному випадку обмотки груп І, III (фіг. 2) використовуються як ФСНП. Таке підключення в повнофазному режимі практично не впливає на стабільність трикутника міжфазних напруг і, відповідно, не порушує якість електроенергії в другій трифазній електричній системі. В неповнофазному режимі при обриві, наприклад, фазного провідника "А" мережі (точка "К") на затискачах b і с ФСНП залишаються фазні напруги   Ubo 1 , Uco1 (фіг. 3). При цьому на обмотках ФСНП, які знаходяться під напругою, протікають струми, що генерують в обмотках фази "А" ФСНП напругу,   яка дорівнює геометричній сумі напруги Ubo 1 , Uco1 із зворотним знаком, що рівноцінно відновленню параметричним способом фази "А" мережі і тим самим трифазної симетричної системи напруг. Жорстка прив'язка до нейтрального провідника мережі забезпечується за рахунок другої штучної нейтральної точки, що створена третьою групою обмоток ФСНП, з'єднаних з нейтральним провідником 5 мережі. На відміну від прототипу якість напруг в даному випадку залишається незмінно високою в усіх режимах завдяки властивостям ФСНП, що пропонується, з урахуванням малих значень (соті частки ома) його опору нульової послідовності. При цьому електромагнітні процеси в мережі здійснюються параметричним способи і не виникає неприпустимих перехідних режимів, пов'язаних з аварійним зростанням фазних напруг, в крайньому разі, до значень міжфазних напруг, що підвищує надійність та ефективність роботи мережі. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 65104 Підписне 10 Тираж 23 прим. 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