Трифазна електрична мережа

Реферат: Трифазна електрична мережа містить джерело трифазних напруг, виводи якого оснащено затискачами лінійних фаз, трифазне навантаження, яке споряджено затискачами лінійних та нейтральної фаз, фільтр струмів нульової послідовності, обладнаний затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі з опорами лінійних фаз, вхідні виводи якої підключено до затискачів лінійних фаз джерела трифазних напруг, а вихідні виводи лінійних фаз лінії електропередачі приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності. Джерело трифазних напруг виконано без нейтральної фази, а трифазну лінію електропередачі - з відповідними опорами лінійних фаз. Трифазне навантаження та фільтр струмів нульової послідовності розподілено на "n"-секцій, встановлена потужність секції трифазного навантаження в "n", a секції фільтра струмів нульової послідовності в "3n" разів менша встановленої потужності джерела трифазних напруг. В кожній секції затискач нейтральної фази фільтра струмів нульової послідовності підключено до затискача нейтральної фази трифазного навантаження. UA 86775 U (54) ТРИФАЗНА ЕЛЕКТРИЧНА МЕРЕЖА UA 86775 U UA 86775 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана для створення в низьковольтних розподільних мережах загального призначення секціонованих трифазних відгалужень електричних мереж з високою якістю електричної енергії та зменшеними її втратами. Відома класична симетрична трифазна мережа, яка містить симетричне трифазне джерело живлення, симетричне трифазне навантаження, з'єднане по схемі "зірка" та симетричну трипровідну лінію електропередачі з нейтральним проводом. Саме по такій схемі побудовано переважну більшість низьковольтних розподільних мереж загального призначення (чотирипровідні мережі з системою заземлення, "TN-C") [1]. Завдяки тому, що в зазначених мережах переважають однофазні лінійні та нелінійні електроприймачі, графіки навантажень яких мають імовірний характер, в мережі виникають несиметричні та несинусоїдні режими. В результаті, у нейтральному проводі мережі переважають струми нульової послідовності та гармонік кратних трьом, значення яких можуть суттєво перевищувати значення фазних струмів. В результаті, на розподільному трансформаторі (РТ) мережі та в вузлах навантажень суттєво зростають величини напруги нульової послідовності, що викликає відхилення та коливання напруг у споживачів електричної енергії, зміщення потенціалу нейтральної фази відносно землі, зростання рівнів вищих гармонік напруг, які призводять до небажаного перегріву трансформаторів і додаткових втрат електричної енергії. Слід зазначити, що у низьковольтних електричних мережах розподіл напруги нульової послідовності вздовж довжини лінії являє собою монотонно зростаючу криву, яка пропорційна змінам значень опору нульової послідовності несиметричних навантажень [2]. При цьому значення напруги нульової послідовності в кінці лінії в переважній більшості буде значно перевищувати відповідне значення на її початку, яке є мінімальним і визначається тільки значенням опору нульової послідовності трансформатора джерела живлення і струмами нульової послідовності на початках всіх ліній (фідерів), що відходять від нього. Графік розподілу величини напруги нульової послідовності вздовж відгалуженої лінії наведено на фіг. 2 (крива 1). Перелічені фактори є загальновідомими недоліками зазначених мереж. Відомі трифазні електричні мережі, в яких у місцях зосередження навантажень, де відбувається генерація струмів нульової послідовності, для зменшення значень напруги нульової послідовності, а також несиметрії напруг нейтральної та лінійних фаз відгалуження застосовують фільтри струмів нульової послідовності (ФСНП) основної та вищих гармонік [3, 4]. Зазначені мережі містять джерело трифазних напруг з нейтральною точкою і лінію електропередачі відгалуження, яка включає, відповідно, три фазних і один нейтральний провідники, до яких приєднано групи електроприймачів, з'єднаних по схемі "зірка" з нейтральним проводом. До фазних провідників лінії підключено також відповідні вхідні затискачі ФСНП, нейтральна точка якого безпосередньо підключена до нейтрального провідника згаданої лінії електропередачі. Особливістю цих електричних мереж є наявність загального для всіх навантажень мережі централізованого ФСНП переважно електромагнітного типу, за допомогою якого здійснюється параметричне симетрування фазних напруг в умовах безперервної зміни навантажень фаз мережі та підтримуються інші параметри напруг трифазної мережі згідно з діючими стандартами якості напруг. Причому територіально такі фільтри встановлюються в місцях зосередження електроприймачів, де величини струму нульової послідовності мережі досягають максимальних значень. Завдяки малому значенню опору струмам нульової послідовності ФСНП дозволяє знизити значення напруги нульової послідовності тільки в місці приєднання до даного вузла навантажень. В той же час на РТ джерела живлення значення напруги нульової послідовності не зменшується, тому що воно загалом визначається опором нульової послідовності трансформатора та струмами нульової послідовності на початку ліній всіх відгалужень системи, які живляться від даного РТ. Основним недоліком зазначених мереж є вибіркове (в місці установки ФСНП) зниження рівнів напруги нульової послідовності мережі. При цьому на інших ділянках мережі величина згаданих рівнів майже не змінюється і зберігаються всі наведені вище недоліки. Графік розподілу рівня напруги нульової послідовності вздовж лінії відгалуження для даного випадку приведено на фіг. 2 (крива 2). На наведеному графіку символом "а" позначено місце встановлення ФСНП. Крім того, ще одним недоліком виконання такої мережі є завищена встановлена потужність ФСНП, що повинна визначатись з урахуванням сумарного струму нульової послідовності всіх відгалужень, які живляться від зазначеного трансформатора. Загалом в мережі при цьому суттєво збільшується струм у нейтральному проводі та зростають втрати електричної енергії. 1 UA 86775 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким технічним рішенням до трифазної електричної мережі, що заявляється, і прийнятим за прототип є трифазна електрична мережа, яка наведена в [5]. Зазначена мережа містить джерело трифазних напруг, наприклад трифазний трансформатор, причому виводи джерела трифазних напруг оснащено затискачами лінійних фаз, трифазне навантаження, яке споряджено затискачами лінійних та нейтральної фази, фільтр струмів нульової послідовності, обладнаний затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі з опорами лінійних фаз, вхідні виводи якої підключено до затискачів лінійних фаз джерела трифазних напруг, а вихідні виводи лінійних фаз лінії електропередачі приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності. Першим недоліком прототипу є високий рівень напруги нульової послідовності вздовж лінії електропередачі відгалуження, що призводить до погіршення якості електричної енергії в вузлах навантажень. Дійсно, в такій електричній мережі, завдяки наявності спільного нейтрального проводу, що з'єднує затискачі нейтральних фаз джерела живлення, фільтрів струмів нульової послідовності та трифазного навантаження існує система взаємозалежних кіл нульової послідовності, по яких протікають струми нульової послідовності та гармонік, які кратні трьом, від усіх відгалужень, що живляться від даного РТ. При цьому зменшення рівнів напруги нульової послідовності забезпечується тільки в місцях приєднання ФСНП до відповідних вузлів навантажень відгалуження. Навпаки, на інших ділянках, особливо на РТ джерела живлення, згадані рівні зменшуються несуттєво, що загалом не дає можливості підвищити якість електричної енергії для інших споживачів. На фіг. 2 приведено графік розподілу рівня напруги нульової послідовності для цього випадку (крива 3). Як видно, значення напруги нульової послідовності на початку лінії електропередачі практично збігається зі значеннями, характерними для розглянутих вище мереж аналогів (криві 1, 2). Крім того, у відомій мережі встановлена потужність ФСНП, який підключено по традиційній схемі, визначається достатньо великим сумарним струмом нульової послідовності та гармонік, що кратні трьом, від всіх відгалужень, які живляться від даного РТ мережі. Це вимагає збільшення встановленої потужності ФСНП. Останнє, а також наявність спільного нейтрального провідника призводить до додаткових матеріальних затрат і погіршення техніко-економічних показників мережі, що є другим недоліком прототипу. Ще одним недоліком прототипу є збільшені втрати електричної енергії, які обумовлені перенавантаженнями нейтрального провідника струмами нульової послідовності та гармонік, які кратні трьом, від всіх відгалужень. У зв'язку з наведеними недоліками прототипу технічною задачею корисної моделі є створення такої трифазної електричної мережі, у якій за рахунок виключення нейтрального провідника зі схеми відгалуження трифазної електричної мережі та розподілу встановленої потужності ФСНП та трифазного навантаження на "n" секцій (n=2,3,4…) досягається підвищення якості та стабільності трифазної напруги мережі, покращення техніко-економічних показників мережі та зменшення втрат електричної енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в трифазній електричній мережі, що містить джерело трифазних напруг, виводи якого оснащено затискачами лінійних фаз, трифазне навантаження, яке споряджено затискачами лінійних та нейтральної фази, фільтр струмів нульової послідовності, обладнаний затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі з опорами лінійних фаз, вхідні виводи якої підключено до затискачів лінійних фаз джерела трифазних напруг, а вихідні виводи лінійних фаз лінії електропередачі приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності, джерело трифазних напруг виконано без нейтральної фази, а трифазну лінію електропередачі, з відповідними опорами лінійних фаз, трифазне навантаження та фільтр струмів нульової послідовності розподілено на "n"-секцій, встановлена потужність секції трифазного навантаження в "n", a секції фільтра струмів нульової послідовності в "3n" разів менша встановленої потужності джерела трифазних напруг, причому в кожній секції затискач нейтральної фази фільтра струмів нульової послідовності підключено до затискача нейтральної фази трифазного навантаження. На відміну від прототипу технічним результатом застосування корисної моделі є можливість створення в межах існуючих розподільних мереж загального призначення секціонованих трифазних відгалужень з незалежними від основної мережі колами для протікання струмів нульової послідовності та гармонік, які кратні трьом, якість та стабільність трифазної напруги в яких не залежатиме від значення опору нульової послідовності трансформатора джерела живлення і буде значно вищою ніж в інших відгалуженнях, що живляться від одного РТ. Крім того, суттєво покращуються техніко-економічні показники мережі за рахунок зменшення 2 UA 86775 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сумарної встановленої потужності секцій ФСНП та економії матеріалів за рахунок виключення спільного нейтрального провідника відгалуження. При цьому зменшуються втрати електричної енергії. На основі наведеного вище можна зробити висновок, що сукупність суттєвих ознак, викладених у формулі корисної моделі, є необхідною і достатньою для досягнення нового технічного результату: підвищення якості та стабільності трифазної напруги мережі, покращення техніко-економічних показників мережі та зменшення втрат електричної енергії. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено принципову схему корисної моделі трифазної електричної мережі; на фіг. 2 - графіки розподілу рівня напруги нульової послідовності вздовж лінії відгалуження трифазної електричної мережі, що заявляється, а також в мережах аналогів; на фіг. 3 - спрощена схема секціонованого (на п'ять секцій) трифазного відгалуження потужністю, наприклад, 100 кВА. До складу трифазної електричної мережі (фіг. 1) входять: джерело трифазних напруг 1, наприклад, трифазний РТ, оснащене затискачами лінійних фаз А, В, С; "n" секцій лінії електропередачі, кожна з яких складається з провідників лінійних фаз 2, 3, 4 з відповідними комплексними опорами 5 лінійних фаз ZлA, ZлВ, ZлC, що підключені до затискачів лінійних фаз А, В, С джерела живлення 1; "n" секцій ФСНП 61-6n, оснащених затискачами лінійних фаз А1-Аn, В1Вn, С1-Сn, що приєднано до відповідних провідників лінійних фаз 2, 3, 4, та затискачем нейтральної фази N1-Nn; "n" секцій трифазного навантаження 71-7n, кожну секцію якого з'єднано по схемі "зірка" і споряджено затискачами лінійних А1н-Аnн, В1н-Впn, С1н-Сnн та нейтральної фаз N1н-Nnн; затискачі лінійних фаз кожної секції трифазного навантаження підключено до відповідних провідників лінійних фаз 2, 3, 4 лінії електропередачі, а затискач нейтральної фази кожної секції трифазного навантаження N1н-Nnн відповідно з'єднано з затискачем нейтральної фази ФСНП N1-Nn даної секції. Робота секціонованої трифазної мережі полягає в тому, що енергія трифазного струму від джерела трифазних напруг 1 за допомогою трьох провідників лінійних фаз 2, 3, 4 лінії електропередачі подається до трифазного навантаження 7, яке розподілено на "n" секцій, S встановлена потужність кожної із яких вибирається в "n" разів меншою SH  TP n  2, 3, 4... n номінальної потужності РТ джерела живлення 1. Паралельно кожній секції трифазного навантаження 71-7n у вузлах навантажень розміщено ФСНП, встановлена потужність якого S складає SФСНП  TP n  2, 3, 4... , тобто в три рази менше встановленої потужності відповідної 3n секції трифазного навантаження. Слід зазначити, що зазначена величина встановленої потужності ФСНП вибирається за умов забезпечення надійного електропостачання в найбільш важких режимах застосування ФСНП, коли несиметрія напруг максимальна, наприклад при обривах двох фаз трифазного навантаження. В кожній секції затискач нейтральної фази ФСНП підключено до затискача нейтральної фази трифазного навантаження, наприклад затискач N1 ФСНП першої секції з'єднано із затискачем нейтральної фази N1н першої секції трифазного навантаження. При цьому, з урахуванням малого (соті частки Ом) опору ФСНП струмам нульової послідовності в даному відгалуженні трифазної мережі створюється "n" окремих незалежних від опору нульової послідовності РТ кіл для замикання струмів нульової послідовності. Рівень напруги нульової послідовності в цих вузлах навантажень зменшується практично до нульових значень (крива 4 та точки b1, b2, b3…bn на фіг. 2). На фіг. 3 приведено спрощену схему конкретного трифазного відгалуження, живлення споживачів якого здійснюється від розподільного трансформатора РТ6-10/0,4 кВ, номінальною потужністю, наприклад, 100 кВА. До даного відгалуження підключено, наприклад, 20 споживачів із встановленою потужністю 5 кВА кожний, які розподілено на 5 секцій. Вище було показано, що оптимальна величина встановленої потужності ФСНП повинна бути втричі меншою номінальної потужності РТ. В нашому випадку вона буде дорівнювати приблизно 33 кВА. Для забезпечення низьких рівнів напруги нульової послідовності та, відповідно, високої якості електричної енергії вздовж всієї лінії відгалуження ФСНП складається із п'яти секцій потужністю 6,5 кВА кожна замість встановлення одного потужного ФСНП. Затискач нейтральної фази кожної секції ФСНП з'єднано з відповідним нейтральним затискачем трифазного навантаження даної секції. Таким чином, у відгалуженні відсутній спільний нейтральний провідник, натомість є п'ять (по числу секцій) незалежних кіл для замикання струмів нульової послідовності, що мають малі значення опору нульової послідовності і, відповідно, малі значення напруги нульової послідовності. 3 UA 86775 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Таким чином, в кожній секції відгалуження завдяки властивостям ФСНП не виникає зміщення штучної нейтральної точки, яка гарантовано буде знаходитись в геометричному центрі трикутника лінійних напруг та досягається симетрія фазних напруг. Цим забезпечується висока якість та стабільність трифазної напруги живлення навантажень відповідної секції відгалуження. З урахуванням того, що значення встановленої потужності секції ФСНП визначається значеннями встановленої потужності трифазного навантаження тільки даної секції не потрібно, з метою компенсації можливого негативного впливу складової напруги нульової послідовності від інших відгалужень РТ, додатково збільшувати встановлену потужність секції ФСНП. Останнє суттєво покращує техніко-економічні показники мережі. Крім того, завдяки відсутності нейтрального провідника в схемі даного відгалуження зменшуються втрати електроенергії. Наявність ФСНП забезпечує симетрування струмів лінійних фаз відгалуження за рахунок їх перерозподілу та розвантаженню від струмів нульової послідовності в кожній секції відгалуження, що додатково призводить до зменшення втрат електричної енергії в мережі. Джерела інформації: 1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. Перераб. и доп. - Харьков: Изд-во "Форт", 2009. - 708 с. 2. Шидловский А.К., Новский В.А., Каплычный Н.М. Стабилизация параметров електрической енергии в распределительных сетях - К.: Наук. думка, 1989. - 312 с. 3. Пентегов И.В., Письменный А.С., Рымар С.В. и др. Результаты испытаний фильтра токов нулевой последовательности новой конструкции в административном здании. - Зб. Праць VI Міжнародної наук.-техн. конф. "Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств". – Маріупіль: Вид-во ПДТУ, 2008. - С. 40-43. 4. Пентегов И.В., Римар С.В., Волков И.В., Безручко В.М. и др. Сравнительный анализ трехфазных фильтров токов нулевой последовательности автотрансформаторного и трансформаторного типов -Техн. електродинамика. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". – 2008. - Ч.3. - С. 49-56. 5. Музиченко Ю.О., Музиченко О.Д. Трифазна електрична мережа. Патент України № 56486 Н02 J 3/00, H02J 3/26. Опубліковано 2003. Бюл. № 5 (прототип). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Трифазна електрична мережа, що містить джерело трифазних напруг, виводи якого оснащено затискачами лінійних фаз, трифазне навантаження, яке споряджено затискачами лінійних та нейтральної фаз, фільтр струмів нульової послідовності, обладнаний затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі з опорами лінійних фаз, вхідні виводи якої підключено до затискачів лінійних фаз джерела трифазних напруг, а вихідні виводи лінійних фаз лінії електропередачі приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності, яка відрізняється тим, що джерело трифазних напруг виконано без нейтральної фази, а трифазну лінію електропередачі - з відповідними опорами лінійних фаз, трифазне навантаження та фільтр струмів нульової послідовності розподілено на "n"-секцій, встановлена потужність секції трифазного навантаження в "n", a секції фільтра струмів нульової послідовності в "3n" разів менша встановленої потужності джерела трифазних напруг, причому в кожній секції затискач нейтральної фази фільтра струмів нульової послідовності підключено до затискача нейтральної фази трифазного навантаження. 4 UA 86775 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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 5