Фільтр струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік

Фільтр призначений для використання в електричних трифазних розподільчих мережах з нульовим проводом з метою підвищення якості електричної енергії та зменшення втрат енергії у мережі. До розподільчих мереж загального призначення приєднують однофазні лінійні та нелінійні приймачі, наприклад, електричні кухонні печі, праски, комп'ютери і т.і. Ці приймачі викликають у розподільчій мережі несиметричні та несинусоїдні режими, в результаті чого у проводі нульової фази виникають значні струми основної та вищих гармонік. Такі струми спричинюють: відхилення та коливання напруг у споживачів електричної енергії, зміщення потенціалу нульової фази відносно землі, вищі гармоніки струмів та напруг, додаткове нагрівання трансформаторів, збої у роботі те хнологічних ліній, додаткові втрати електричної енергії, тощо. Для зменшення несиметрії та несинусоїдності струмів у проводах нульової та лінійних фаз застосовують фільтри нульової послідовності основної та вищи х гармонік. Відомі фільтри струмів нульової послідовності [1, 2, 3], які мають у своєму складі конденсаторні батареї та дросель, ввімкнені між проводами нульової та лінійних фаз. Недоліком цих фільтрів є необхідність силового регулювання ємності конденсаторних батарей або/та дроселів, яке виконується за допомогою контакторів, тиристорів або магнітних підсилювачів. Відомі фільтри струмів нульової послідовності [4, 5], які мають у своєму складі конденсаторні батареї, дросель та автотрансформатор. Таке виконання фільтру дозволяє компенсувати струми нульової та зворотної послідовності. При цьому встановлена потужність елементів фільтру зменшена у 1,5-2,0 рази. Недоліком таких фільтрів є необхідність комутації значних стр умів конденсаторних батарей та дроселя при зміні потужності та фазного кута однофазного навантаження. Відомі фільтри струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік [6 - 10], які виконані на основі автотрансформатора, який містить тристрижневий магнітопровід, на кожному стрижні якого розміщено від двох до п'яти обмоток. Такий фільтр забезпечує параметричне зменшення несиметрії та несинусоїдності. Недоліком цього фільтру є нетехнологічність виготовлення або/та велика встановлена потужність фільтру, що приводить до необґрунтованої перевитрати електротехнічної сталі та міді. Відомий фільтр струмів нульової послідовності основної та ви щих гармонік (прототип) [11], який містить затискачі трьох лінійних та нульової фаз для приєднання його до трифазної мережі, трифазний стрижневий магнітопровід та котушку на кожному стрижні магнітопроводу, кожна котушка складається із двох обмоток, кожна з яких облаштована крайніми виводами, причому обмотки, які розміщені на різнойменних (наприклад, на першому та другому) стрижнях магнітопроводу, між собою з'єднані однойменними (наприклад, початковими) виводами, вільні виводи одних трьох обмоток приєднані до затискачів лінійних фаз фільтру, а вільні виводи других трьох обмоток приєднані до затискача нульової фази фільтру, Фільтр - прототип має підвищену надійність за рахунок зменшення напруги між ізоляцією обмоток, розташованих на середньому стрижні. Недоліком фільтру - прототипу є нетехнологічність виготовлення магнітопроводу, пов'язана із штампуванням, зняттям задирок, лакуванням, термообробкою та ручною зборкою пластин електротехнічної сталі. Нетехнологічність стала завадою для процесу автоматизації виготовлення магнітопроводу, що обумовлює високу вартість фільтру. Відомо, що більш технологічними є стрічкові розрізні магнітопроводи, які використовуються для виготовлення трансформаторів. Але використання стрічкових магнітопроводів для виробництва симетричних фільтрів передбачає застосування двох типорозмірів однофазних двострижневих магнітопроводів, що є істотним недоліком. Симетрії фільтру можна досягти шляхом використання чотирьох однофазних стрічкових розрізних магніто проводів одного типорозміру, але в цьому випадку мають місце також перевитрати електротехнічної сталі на 33%. У зв'язку із вказаним недоліком була поставлена задача - досягти технологічності виконання фільтру струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік при умовах: симетрії фільтру, застосування магнітопроводів одного типорозміру та повного використання площі вікон магнітопроводу фільтру. Поставлена задача вирішена шляхом сукупних заходів: зміни конфігурації магнітопроводу, введення додаткових обмоток та зміни схеми з'єднання обмоток фільтру - прототипу, а саме тим, що у фільтрі струмів нульової послідовності основної та вищи х гармонік, який містить затискачі трьох лінійних та нульової фаз для приєднання його до трифазної мережі, трифазний стрижневий магнітопровід та котушк у на кожному стрижні магнітопроводу, кожна котушка складається із двох обмоток, кожна з яких облаштована крайніми виводами, причому обмотки, які розміщені на різнойменних (наприклад, на першому та др угому) стрижнях магнітопроводу, між собою з'єднані однойменними (наприклад, початковими) виводами, вільні виводи одних трьох обмоток приєднані до затискачів лінійних фаз фільтру, а вільні виводи других трьох обмоток приєднані до затискача нульової фази фільтру, введені такі зміни, а саме: трифазний магнітопровід фільтру виконано у вигляді трьох однофазних стрижневих стрічкових розрізних магнітопроводів одного і того ж типорозміру, причому магнітопроводи розміщені в одній площині, на одному рівні і дотикаються стрижнями, в наслідок чого магнітопровід має чотири стрижні, один із яких - додатковий, два стрижні знаходяться у положенні крайніх, а два інших - у положенні середніх, причому кожен середній стрижень має площу поперечного перерізу, яка удвічі більша за площу поперечного перерізу кожного із крайніх стрижнів, до фільтру додано котушк у, яка розміщена на додатковому стрижні і складається із двох обмоток, причому кожна обмотка, розміщена на одному крайньому стрижні, послідовно та узгоджено з'єднана різнойменними виводами із однією з обмоток, розміщених на другому крайньому стрижні. Обмотки, розміщені на середніх стрижнях, та послідовні з'єднання обмоток, розміщені на крайніх стрижнях, між собою з'єднані за схемою зигзаг. Обмотки, розміщені на середніх стрижнях, та послідовні з'єднання обмоток, розміщені на крайніх стрижнях, між собою з'єднані за схемою l , при цьому дві обмотки, розміщені на одному із середніх стрижнів між собою з'єднані різнойменними виводами, а точка їх з'єднання приєднана до затискача нульової фази фільтру. У кожній котушці кожен провідник однієї обмотки оточений провідниками другої обмотки. Всі обмотки мають однакові кількості витків, а всі провідники обмоток мають однакову площу поперечного перерізу. Вказані зміни конструкції фільтру забезпечують те хнологічність виконання: при навиванні осердь; при знятті задирок; при покритті пластин лаком; не потребують ручного збирання пластин, тощо. Для пояснення суті винаходу подані фіг. 1 - фіг. 4. На фіг. 1 зображена конструкція магнітопроводу фільтру. На фіг. 2 подана схема заміщення магнітопроводу фільтр у. На фіг. 3 представлена схема з'єднань обмоток фільтру у зигзаг. На фіг. 4 показане з'єднання обмоток фільтру за l -подібною схемою. На фіг. 1 позначені: 1, 2, 3 та 4 - порядкові номери стрижнів реального магнітопроводу; а та b - довжина та ширина площі поперечного перерізу крайнього стрижню відповідно. На фіг. 2 позначені: 1, 2, 3 та 4 - порядкові номери стрижнів у схемі заміщення магнітопроводу. Схема заміщення подана з метою виявлення ознак прототипу та фільтру, який патентується. На фіг. 3 та фіг. 4 позначення однакові: А, В, С та 0 - затискачі лінійних та нульової фаз відповідно; 1 чотиристрижневий магнітопровід; 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 - обмотки фільтру; позначка "*" означає початковий вивід обмотки. Склад фільтру. До фільтру входять три двострижневі магнітопроводи (фіг. 1), розташовані один біля одного без повітряного проміжку так, що утворився чотиристрижневий трифазний магнітопровід (фіг. 2), та чотири котушки, розміщені по одній на кожному стрижні. Кожна котушка складається із двох обмоток. Так, на першому (крайньому) стрижні 1 (фіг. 1 та фіг. 2) розміщена котушка, яка складається із обмоток 2 та 6 (фіг. 3 та фіг. 4). На другому (середньому) стрижні 2 (фіг. 1 та фіг. 2) розміщена котушка, яка складається із обмоток 3 та 7 (фіг. 3 та фіг. 4). На третьому (середньому) стрижні 3 розміщена котушка, яка складається із обмоток 4 та 8, а на четвертому (крайньому) стрижні 4 розміщена котушка, яка складається із обмоток 5 та 9 (фіг. 3 та фіг. 4). Схема з'єднання. Схема з'єднання фільтра має 26 варіантів виконання: 2 варіанти з'єднань - за схемою зигзаг та 24 варіанти - за схемою з'єднань l [11]. На фіг. 3 та фі г.4 подані схеми з'єднань найбільш перспективних варіантів виконання фільтрів. Обмотки, які знаходяться на різних та некрайніх стрижнях, між собою з'єднані однойменними виводами. На фіг. 3 та фіг. 4 початкові виводи позначені позначкою - *. Кінцеві виводи не позначені. Розглянемо варіант виконання фільтру, при якому обмотки, розміщені на середніх стрижнях, та послідовні з'єднання обмоток,розміщені на крайніх стрижнях, між собою з'єднані за схемою зигзаг (фіг. 3). Із фіг. 3 видно, що обмотка 3, яка розміщена на стрижні 2, кінцевим виводом приєднана до кінцевого (тобто однойменного) виводу обмотки 8, яка розміщена на стрижні 3 (фіг. 2 та фіг. 3). Обмотка 4, яка розміщена на стрижні 3, та обмотка 9, яка розміщена на стрижні 4 (фіг. 2 та фіг. 3), також з'єднані між собою однойменними (кінцевими) виводами. Однойменними, а саме кінцевими, виводами з'єднані між собою обмотка 2, що знаходиться на стрижні 1, та обмотка 7, розміщена на стрижні 2. Але обмотка 2, розміщена на крайньому стрижні 1, другим виводом з'єднана різнойменними виводами із обмоткою 5, розміщеною на другому крайньому стрижні 4. Аналогічно ввімкнені обмотки 6 та 9, розміщені також на стрижнях 1 та 4. Обмотки 2 та 5 утворюють послідовне з'єднання обмоток. Таке ж послідовне з'єднання утворюють обмотки 6 та 9. Обидва послідовні з'єднання обмоток 2 та 5, а також 6 та 9 разом із обмотками 3, 4, 7 та 8 утворюють схему, яка відома під назвою "зигзаг". Розглянемо варіант виконання фільтру, при якому обмотки, розміщені на середніх стрижнях, та послідовні з'єднання обмоток, розміщені на крайніх стрижнях, між собою з'єднані за схемою l ( фіг. 4) [11]. Особливістю схеми є те, що обмотки 4 та 8 розташовані на одному і тому ж стрижні і з'єднані між собою різнойменними виводами та приєднані до затискача нульової фази. Робота фільтру. Перед початком експлуатації затискачі фільтру приєднують до розподільчої мережі. У даний час від такої мережі живляться приймачі електричної енергії, які є несиметричними та нелінійними. Фільтр, що патентується, є пасткою для струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік, оскільки струм нульової послідовності k - тої гармоніки ІКот у живильному трансформаторі та лінії мережі дорівнює: Ikoт=Iko/(Zkoт/Zкоф+1)=Iko/(Zkoт/Rkoф+1), (1) де: Iko - струм нульової послідовності k - тої гармоніки, обумовлений несиметричними приймачами електричної енергії (струм у проводі нейтралі мережі дорівнює 3.Iko); Zkoт - опір трансформатора струмам нульової послідовності k - ої гармоніки; Zкоф - опір фільтру стр умам нульової послідовності k-ої гармоніки. Опір нульової послідовності Zкоф=jХkо ф+Rkоф є основною характеристикою фільтру. При описаному вище виконанні фільтру реактивною складовою опору Хkо ф можна знехтувати через те, що вона на 1,...,2 порядки менша від Rko. Тому Zkо ф » Zkо ф , (2) Індекс "k" вказує на порядковий номер однойменних гармонік напруги та стр уму, при якому визначений опір нульової послідовності. Індекс "о" вказує на належність до опору нульової послідовності. Із (1) видно, що, наприклад, якщо відношення Zkoт/Zkоф на першій гармоніці дорівнює 7, то після приєднання фільтру до трифазної чотирипровідної мережі струм нульової послідовності трансформатора зменшиться у 8 разів. З ростом частоти гармонік відношення Zkoт/Zkоф збільшується. Отже фільтр, який патентується, зменшує несиметрію струмів нульової послідовності основної та вищих гармонік, а отже і несиметрію напруг нульової послідовності основної та вищих гармонік. Фільтрування струмів, яке відбувається у відповідності до (1), стосується струмів нульової послідовності гармонік довільного порядкового номера, тобто від порядкового номера 1 до нескінченості. Фільтр зменшує також симетричні струми гармонік, порядковий номер яких кратний трьом, але це зменшення відбувається іншим чином. Виникнувши у приймачі електричної енергії кратні трьом гармоніки струму зі всіх фаз прямують у напрямку до живильного трансформатора, але до живильного трансформатора не доходять, бо попадають у фільтр - пастку і замикаються у фільтрі. Останнє може бути підтверджене за допомогою (1) при обриві нульового проводу трансформатора, тобто при Zkот = ¥ . Після обриву нульового проводу трансформатора напруга на приймачах електричної енергії не змінюються. Фільтр жорстко забезпечує потенціал на нульовому проводі, близький до потенціалу землі. При цих умовах струм у нульовому проводі відсутній (Ikoт=0). Отже для гармонік струму кратних трьом фільтр є пасткою. Фільтрація струмів гармонік кратних трьом має велике практичне значення, оскільки у даний час спостерігається стійка тенденція до росту таких струмів у розподільчих мережах. Це пояснюється тим, що нові, у цілому прогресивні, електротехнології пов'язані із імпульсним споживанням електричної енергії. Якщо раніше у трифазній мережі домінували лінійні і симетричні приймачі, в наслідок чого приймачі споживали постійну потужність на протязі всього періоду основної частоти, то у даний час за той же період споживання енергії відбувається під час проходження шістьох імпульсів, тривалість кожного з яких дорівнює від 2-ох до 4-ох мілісекунд. Опис варіантів виконання. У залежності від того, який із двох крайніх виводів прийнятий за початковий, маємо два варіанти виконання фільтрів по п. 2 та п. 3 формули винаходу. Інші варіанти виконання пов'язані із комбінаціями послідовних з'єднань обмоток, які виконуються двома видами з'єднань однойменних виводів. При цьому обмотки, які знаходяться на різнойменних стрижнях, між собою можуть бути з'єднані однойменними як початковими, так і кінцевими виводами. На фіг. 3 показана принципова схема одного з пріоритетних виконань фільтру, де крайні стрижні (1 та 4) виконують роль одного середнього стрижня, наприклад, 2. Із фіг. 1 та фіг. 2 видно, що стрижень 2 має площу (2ав) поперечного перерізу, яка удвічі більша площі поперечного перерізу крайнього стрижню (ав). Тому при однаковій магнітній індукції напруга на обмотці середнього стрижню удвічі більша за напругу обмотки, яка розташована на крайньому стрижні. Для забезпечення симетрії режиму фільтру напруги на обмотках кожної фази мають бути однаковими, що досягається послідовним і узгодженим з'єднанням обмоток крайніх стрижнів фільтру. Послідовні з'єднання обмоток, розміщені на крайніх стрижнях, та обмотки, розміщені на середніх стрижнях, між собою з'єднані у зигзаг. Таке виконання забезпечує однакові потенціали напруг на обмотках фільтру. Так, комплексні потенціали кінцевих виводів обмоток 2, 3 та 4 симетрично розміщені відносно потенціалу нульової фази 0 (фіг. 3). Послідовні з'єднання обмоток, розміщені на крайніх стрижнях, та обмотки, розміщені на середніх стрижнях, між собою можуть бути ввімкнені за схемою l (фіг. 4). Відмінність від вищерозглянутої схеми полягає у тому, що обмотки 4 та 8, розташовані на третьому стрижні, з'єднані між собою різнойменними виводами і приєднані до затискача нульової фази. Ця схема з'єднань забезпечує меншу різницю потенціалів між обмотками 4 та 8, що в умовах підвищеного нагрівання середнього стрижню підвищує надійність роботи ізоляції та фільтру в цілому. Для зменшення реактивної складової опору нульової послідовності фільтру у кожній котушці кожен провідник однієї обмотки оточений провідниками другої обмотки. У всіх обмотках протікає один і той же струм за величиною та фазою. Але напрямки струму у обмотках протилежні, через що у котушці відсутня магніторушійна сила. Через це струми, які протікають по проводу нульової фази (третина їх протікає по обмотках), практично не створюють магнітного поля розсіювання навколо магнітопроводу фільтру. Зменшення, або ж повна компенсація, поля розсіювання підвищує е фект фільтрації на 20-25%. Другим фактором, який впливає на посилення ефекту фільтрації, є наближення або рівність витків у всіх обмотках фільтру. Дійсно, повне подавления поля розсіювання має місце при умові рівності ампервитків, які намагнічують стрижень у прямому та зворотному напрямку. Третім фактором, який впливає на посилення ефекту фільтрації, є рівність площ поперечного перерізу проводів у всіх обмотках фільтру. Відповідно до виразу (2) опір нульової послідовності фільтру Zкоф має найменше значення при умові рівності площ поперечного перерізу провідників всіх обмоток. Якщо у котушці площі поперечного перерізу провідників у різних обмотках не рівні між собою, то виникає деяке порушення симетрії намагнічуючих та розмагнічуючи сил, в результаті чого з'являються потоки розсіювання. Активну складову опору н ульової послідовності Zkoф (Rkоф) можна зменшити, якщо збільшити площу поперечного перерізу провідників обмоток фільтру. Установлена потужність 8ф фільтру оцінюють за прихованою потужністю: Sф=3.Uфн . Iдон, (3) де: Uфн - номінальна фазна напруга мережі; Ідон - діюче значення струму нульової послідовності, причому 12 æ¥ 2ö Iдон = ç å (Ikо ) ÷ , (4) ç ÷ è k =1 ø де Iko - діючі значення k-их гармонічних складових струму н ульової послідовності у розподільчій мережі. Максимальна установлена потужність фільтру дорівнює 115,5% від суми потужностей однофазних приймачів розподільчої мережі. У порівнянні з фільтром - прототипом описане виконання фільтру має одну перевагу - те хнологічність, яка дозволяє автоматизувати: - різку смуги електротехнічної сталі; - очистку та підготовку смуги електротехнічної сталі перед навиванням стрічкових однофазних розрізних магнітопроводів, з яких складається магнітопровід фільтру; - термообробку; - процес навивання однофазних магнітопроводів; - зняття задирок; - покриття лаком, тощо. Фільтр доцільно використовувати у розподільчій мережі при приєднанні до неї нелінійних та несиметричних приймачів електричної енергії. Таке використання дозволяє: - знизити втрати електроенергії у живильному трансформаторі та лінії розподільчої мережі; - зменшити додаткове нагрівання трансформаторів до допустимого рівня; - зменшити зсув потенціалу проводу нульової фази відносно потенціалу землі; - зменшити коефіцієнт несиметрії струмів та напруг за нульовою послідовністю; - зменшити коефіцієнти гармонічних складових гармонік напруги та струму, порядковий номер яких кратний трьом; - зменшити небаланс фазних напруг розподільчої мережі; - автоматично відновити електропостачання при обриві проводу однієї з лінійних або нульової фаз мережі; - зменшити у розподільчій мережі імпульси напруг, які мають природне, або штучне походження. Джерела інформації: 1. Аввакумов В.А. Уравновешивание электрической нагрузки в трехфазной четирёхпроводной системе.«Известия ВУЗов. Энергетика»,-1970. - № 5. 2. Милях A.M., Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Схемы симметрирования однофазных нагрузок в трехфазных сетях, - Киев, «Наукова думка», 1973. 3. Авторское свидетельство СССР № 801187, МКИ H02J 3/26, 1979. 4. Шидловский А.К., Музыченко А.Д., Денисенко О.Г., Трофименко А.П. Устройство для симметрирования токов в четырехпроводных сетях. Авторское свидетельство СССР № 961042, МКИ H02J 3/26, 1982. 5. Денисенко О.Г., Трофименко А.П., Алексеенко В.В., Музыченко Ю.А., Самков А.В. Устройство для компенсации токов обратной и нулевой последовательности в трехфазных четырехпроводных сетях. Авторское свидетельство СССР № 1018185, МКИ H02J 3/26, 1983. 6. Кузнецов В.Г., Каплычный Н.Н., Третяк В.Т. Симметрирование фазных напряжений в сетях с нулевым проводом. - Проблемы технической электродинамики, вып. 45, «Наукова думка», Киев, 1974, С.150-153. 7. Электрическая трехфазная сеть с нулевой фазой. Авторское свидетельство СССР № 1304124, МКИ H02J 3/26, 1986. 8. Электрическая трехфазная сеть с нулевой фазой. Авторское свидетельство СССР № 1575266, МКИ H02J 3/26, 1990. 9. Фільтр струмів нульової послідовності. Patent USA N 5159561, МКИ Н02Н 3/26, okt.1992. 10. Фільтр струмів нульової послідовності. Patent USA N 5406437, МКИ Н02Н 3/26, 11.04.1995. 11. Фільтр струмів нульової послідовності. Патент України N 34226А, МКИ Н02Н 007/08, 15.02.2001.