Трифазна електрична мережа

Реферат: Трифазна електрична мережа містить трифазний живильний трансформатор, вторинну обмотку якого виконано по схемі "зірка з заземленим нулем". Виводи вторинної обмотки оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз. Трифазне навантаження оснащено затискачами лінійних і нейтральної фаз та корпусу, фільтр струмів нульової послідовності оснащений затискачами лінійних та нейтральної фаз. Трифазна лінія електропередачі, яка містить провідники лінійних фаз з відповідними опорами, вхідні виводи яких підключено до затискачів лінійних фаз вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора, а вихідні - приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності, затискач нейтральної фази якого з'єднано з затискачем нейтральної фази трифазного навантаження. Затискач корпусу трифазного навантаження підключено до вихідного виводу захисного РЕ-провідника. Мережу оснащено другим фільтром струмів нульової послідовності, який оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз, які підключено, відповідно: лінійних фаз - до вихідних виводів провідників лінійних фаз трифазної лінії електропередачі, а нейтральної фази - до вихідного виводу захисного РЕ-провідника, вхідний вивід якого безпосередньо підключено до затискача нейтральної фази вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора. UA 99297 U (54) ТРИФАЗНА ЕЛЕКТРИЧНА МЕРЕЖА UA 99297 U UA 99297 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана для створення в низьковольтних розподільних мережах загального призначення трифазних відгалужень електричних мереж з підвищеною електробезпекою та високою якістю електричної енергії. Відомо, що відповідно до класифікації, наведеної в ПУЕ, переважну більшість розподільних електричних мереж, які знаходяться в експлуатації, побудовано за системою заземлення TN -С [1]. Така мережа складається з джерела трифазної напруги (живильного трансформатора, виконаного традиційно по схемі "зірка/зірка з заземленим нулем"), трифазної лінії електропередачі, що складається з трьох лінійних (фазних) провідників і об'єднаного PENпровідника, який поєднує функції нейтрального (N) і захисного (заземляючого) (РЕ) провідників. Однак, зазначена система побудови електричних мереж навіть в номінальних режимах не дозволяє в повній мірі задовольнити вимогу щодо забезпечення електробезпеки та якості електроенергії в розподільних мережах низької напруги, що пов'язано з наявністю та нерівномірним розподілом потенціалу PEN-провідника по всій його довжині. Зазначений потенціал викликано при несиметричних і нелінійних навантаженнях падіннями напруги на опорі живильного трансформатора та опорі нейтрального провідника внаслідок протікання по ньому струму, який складається в загальному випадку із струмів нульової послідовності, як основної, так і вищих частот, що виникають, як правило, при підключенні різного роду перетворювачів. При цьому на корпусах електроспоживачів, які, зазвичай, підключаються до PEN-провідника виникає небажаний потенціал, т.зв. напруга "дотику", що може досягати небезпечних для життя людини значень. Частково, питання електробезпеки та якості електроенергії можуть бути вирішені завдяки побудові електричних мереж за системою заземлення TN-S і TN-C-S [2, 3], а також за рахунок проведення низки заходів по вирівнюванню потенціалу PEN провідника по довжині лінії живлення. Зазначені системи розрізняються режимами роботи N- і РЕ-провідників. В системі TN-S поділ на N- і РЕ-провідники здійснюється по всій мережі, а в системі TN-C-S, такий поділ здійснюється тільки в певній її частині. Застосування останньої системи в Україні вважається найбільш доцільним, тому що не вимагає докорінної реконструкції розподільної мережі низької напруги і, відповідно, збільшення матеріальних витрат. У цьому випадку поділ загального PENпровідника на N- і РE-провідники здійснюється зазвичай в місці приєднання відгалуження до основної магістралі (ввід у будинок, відгалуження на об'єкт, що використовує трифазну напругу, та ін) [1]. При цьому металеві корпуси однофазних побутових і трифазних електроприймачів заземляються за допомогою захисного РЕ-провідника, по якому струм у нормальному режимі роботи мережі не протікає. Крім того, і не виникає небажаних потенціалів вздовж довжини згаданого провідника та, відповідно, небезпечної напруги "дотику", що не повинна перевищувати для систем змінного струму значення 20 вольт при тривалості дії струму в аварійному режимі понад 1 с. В той же час, за рахунок протікання робочих струмів та наявності відповідного падіння напруги на опорі нульової послідовності живильного трансформатора, а в системі TN-C-S - і на опорі нейтрального провідника виникають певні небезпечні потенціали на металевих корпусах електроспоживачів. Принципова можливість наявності таких потенціалів є суттєвим недоліком систем TN-C-S та TN-S. Тому електробезпека в мережах зі згаданими системами заземлення, а саме захист від ураження електричним струмом при доторканні до металевих корпусів електроустановок забезпечуються застосуванням пристроїв захисного відключення (ПЗВ). Крім того, недоліком низьковольтних електричних мереж з системою заземлення TN-C-S є її непрацездатність в аварійних режимах, пов'язаних з порушенням цілісності мережі, наприклад, при К.З. на корпус та обриві PEN-провідника. В таких режимах зазначена система навіть стає електронебезпечною, тому що на всіх металевих корпусах електроустановок, пов'язаних спільним захисним PE-провідником, з'являється смертельно небезпечний потенціал фази [3]. Особливо небезпечними зазначені режими стають для побутових електроспоживачів в сільській місцевості, живлення яких здійснюється за допомогою повітряних ліній напругою 0,4 кВ, що відзначаються великою протяжністю та розгалуженістю і мають високу імовірність обриву PENпровідника і на магістральних лініях і на відгалуженнях. Аналогічна ситуація складається і в деяких інших неномінальних режимах роботи мережі TN-C-S, наприклад, при обриві лінійного (фазного) провідника. У цьому випадку по PENпровіднику протікає струм небалансу, який дорівнює струму навантаження обірваної фази трифазного навантаження. При цьому на металевих корпусах електроприймачів може виникати небезпечний для життя потенціал, який, в основному, визначається величиною падіння напруги на опорі нульової послідовності живильного трансформатора. Зазначена напруга в ряді випадків може бути значно вищою, ніж падіння напруги на опорі PEN-провідника, і може становити загрозу для життя людини. 1 UA 99297 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Найбільш близьким технічним рішенням до трифазної електричної мережі, що заявляється, і прийнятим за прототип є трифазна електрична мережа, схема якої наведена в [4]. Зазначена мережа містить трифазний живильний трансформатор, вторинну обмотку якого виконано по схемі "зірка з заземленим нулем", а виводи вторинної обмотки оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз, трифазне навантаження, яке оснащено затискачами лінійних і нейтральної фаз та корпусу, фільтр струмів нульової послідовності, оснащений затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі, яка містить провідники лінійних фаз з відповідними опорами, вхідні виводи яких підключено до затискачів лінійних фаз вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора, а вихідні - приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності, затискач нейтральної фази якого з'єднано з затискачем нейтральної фази трифазного навантаження, причому затискач корпусу трифазного навантаження підключено до вихідного виводу захисного РE-провідника. В даній мережі спільна нейтральна точка фільтра струмів нульової послідовності та трифазного навантаження з'єднана за допомогою нейтрального N-провідника з PENпровідником. При виникненні несиметричних та аварійних режимів по ньому протікає струм, що викликає появу відповідного падіння напруги на опорі живильного трансформатора, який складається з опору нульової послідовності і опору К.З. та падіння напруги на відповідних опорах лінії електропередачі. При цьому на корпусах трифазних навантажень, підключених за допомогою захисного РЕ-провідника до PEN-провідника мережі, з'являються небезпечні "напруги дотику". В цій мережі, на відміну від мереж традиційної побудови, розглянутих вище, в аварійних режимах при обриві нейтрального провідника завдяки меншому на порядок відповідному опору фільтра струмів нульової послідовності, для струму нульової послідовності створюється коло, яке оминає згаданий опір живильного трансформатора. В результаті небезпечний потенціал на металевих корпусах електроспоживачів буде суттєво нижчим, ніж у мережах традиційної побудови, а тривалість його дії буде визначатися інтервалом часу до моменту спрацювання захисних пристроїв системного захисту мережі по струму. В той же час, якщо фільтр струмівнульової послідовності з різних причин буде відключено чи він аварійно вийде з ладу, наприклад, внаслідок відсутності однієї із лінійних фаз в місці його установки, то мережа перетвориться в мережу з системою заземлення TN-C-S з усіма притаманними їй недоліками. Суттєвим недоліком цієї мережі (прототипу) є низький рівень електробезпеки внаслідок протікання в робочих несиметричних режимах струмів нульової послідовності по нейтральному провіднику. При цьому на металевих корпусах навантажень трифазної мережі принципово можлива поява небезпечних потенціалів завдяки падінню напруги на опорі нульової послідовності живильного трансформатора та опорі PEN-провідника, який гальванічно пов'язаний з затискачем нейтральної фази зазначеного трансформатора. Крім того, в даній мережі можливо виникнення небезпечної для життя людей напруги на корпусах трифазних навантажень при виходу з ладу фільтра струмів нульової послідовності, наприклад, при зникненні (обриві) однієї із фаз мережі перед місцем встановлення згаданого фільтра. У зв'язку з наведеними недоліками прототипу технічною задачею корисної моделі є зниження небезпечної для життя людини напруги на корпусах навантажень трифазної мережі до безпечного значення. При цьому досягається новий технічний результат: створення трифазної електричної мережі з високим рівнем електробезпеки. Поставлена задача вирішується таким чином, що трифазну електричну мережу, що містить трифазний живильний трансформатор, вторинну обмотку якого виконано по схемі "зірка з заземленим нулем", а виводи вторинної обмотки оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз, трифазне навантаження, яке оснащено затискачами лінійних і нейтральної фаз та корпусу, фільтр струмів нульової послідовності, оснащений затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі, яка містить провідники лінійних фаз з відповідними опорами, вхідні виводи яких підключено до затискачів лінійних фаз вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора, а вихідні - приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтру струмів нульової послідовності, затискач нейтральної фази якого з'єднано з затискачем нейтральної фази трифазного навантаження, причому затискач корпусу трифазного навантаження підключено до вихідного виводу захисного PE-провідника, оснащено другим фільтром струмів нульової послідовності, який оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз, які підключено, відповідно: лінійних фаз - до вихідних виводів трифазної лінії електропередачі, а нейтральної фази - до вихідного виводу захисного PE-провідника, вхідний вивід якого безпосередньо 2 UA 99297 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підключено до затискача нейтральної фази вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора. Результатом застосування корисної моделі є можливість створення в межах існуючих електричних мереж окремих трифазних відгалужень з високим рівнем електробезпеки за рахунок практично повної відсутності небезпечних для життя людей потенціалів на металевих корпусах навантажень трифазної мережі, як в номінальних, так і в аварійних режимах роботи мережі, наприклад, при обривах захисного провідника. Крім того, завдяки застосуванню фільтра струмів нульової послідовності зменшується несиметрія струмів, які протікають по лінійних провідниках лінії електропередачі, що дозволяє дещо знизити втрати електричної енергії і отримати на кінці лінії електропередачі менш спотворений трикутник лінійних напруг. Слід також відзначити фактор зменшення коефіцієнта спотворення синусоїдальності кривої напруги мережі за рахунок фільтрації гармонік струмів, кратних трьом. Якість електроенергії у споживачів при цьому суттєво зростає. На основі наведеного вище можна зробити висновок, що сукупність суттєвих ознак, наведених у формулі корисної моделі, є необхідною і достатньою для досягнення нового технічного результату, а саме підвищення електробезпеки трифазної мережі за рахунок зниження до безпечних значень потенціалів на металевих корпусах навантажень трифазної мережі. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де наведено схему трифазної електричної мережі, що заявляється. До складу трифазної електричної мережі входять: трифазний живильний трансформатор 1 як джерело живлення, яке має три джерела UA, UB, UC з відповідними опорами короткого замикання трансформатора Zк, які з'єднано по схемі "зірка з заземленим нулем", а також Z 0  ZK T 3 опором , виводи якого оснащено затискачами лінійних А, В, С та нейтральної N фаз; трифазне навантаження 2, яке оснащено затискачами лінійних АН, ВН, СН, нейтральної NH фаз та корпусу К; перший фільтр струмів нульової послідовності 3, оснащений затискачами лінійних А1, В1, С1 та нейтральної N1 фаз; другий фільтр струмів нульової послідовності 4 оснащений затискачами лінійних А2, В2, С2 та нейтральної N2 фаз; трифазну лінію електропередачі, що має провідники лінійних фаз 5, 6, 7 з відповідними опорами Zл та захисний РЕ-провідник з опором Z0, вхідні виводи яких підключені, відповідно, до затискачів лінійних А, В, С та нейтральної N фаз джерела живлення 1; затискачі лінійних фаз А1, В1, С1 та А2, В2, С2 обох фільтрів струмів нульової послідовності 3,4 і затискачі лінійних фаз АН, ВН, СН трифазного навантаження 2 підключені, відповідно, до вихідних виводів провідників лінійних фаз 5, 6, 7 трифазної лінії електропередачі, до вихідного виводу РЕ-провідника якої приєднані затискач корпусу К трифазного навантаження 2 та затискач нейтральної фази N2 другого фільтру струмів нульової послідовності 4; затискач нейтральної фази N1 першого фільтра струмів нульової послідовності 3 з'єднано з затискачем нейтральної фази NH трифазного навантаження. Робота трифазної електричної мережі полягає в тому, що енергія трифазного струму від трифазного живильного трансформатора 1 за допомогою трьох провідників лінійних фаз 5, 6, 7 лінії електропередачі подається до трифазного навантаження 2, затискач нейтральної фази NH якого зв'язаний, не як зазвичай з нейтральним провідником трифазної мережі, а із штучною нейтральною точкою (затискач N1 на фіг. 1), яку створено за допомогою першого фільтра струмів нульової послідовності 3. Завдяки такій побудові трифазної мережі для протікання струмів нульової послідовності створюється нове коло, яке оминає трифазний трансформатор джерела живлення, а струм нульової послідовності замикається між нейтральною точкою навантаження NН та нейтральною точкою N1 першого фільтра нульової послідовності 3. При такій побудові мережі на металевому корпусі трифазного навантаження, з'єднаного захисним РЕ-провідником з затискачем нейтральної фази живильного трансформатора, завжди буде нульовий потенціал "землі". Таким чином, в нормальному робочому режимі, а також практично у всіх аварійних режимах мережі струм по РЕ-провіднику не протікає, падіння напруги на опорі живильного трансформатора відсутнє і забезпечується нульовий потенціал на корпусах навантажень, які підключено до захисного РЕ-провідника. В аварійних режимах, наприклад, при міжфазних К.З., обривах лінійних провідників і т.п. нульовий потенціал на металевих корпусах навантажень залишається незмінним. В той же час, при К.З. лінійного провідника будь якої фази на РЕ-провідник, що рівнозначно "пробою" електричної ізоляції споживача на металевий корпус, існує загроза для життя людини. При наявності ПЗВ останній менше, ніж за 0,4 секунди повинен відключити споживач від мережі і на його корпусі зникне небезпечна для людини напруга. 3 UA 99297 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Але у випадку, коли з будь яких причин ПЗВ не спрацює (електронне ПЗВ не має живлення, електромеханічне ПЗВ несправне або не спрацювало) чи взагалі ПЗВ відсутнє, тоді струм К.З. розподіляється по двох колах зворотно пропорційно величинам їх опорів. Перше коло включає РЕ-провідник, нейтральну точку та, наприклад, фазу А трансформатора джерела живлення і відповідний провідник лінійних фаз лінії електропередачі. До другого кола протікання струму К.З. входять другий фільтр струмів нульової послідовності 4, провідники лінійних фаз лінії електропередачі, відповідні фази джерела живлення та його нейтральна точка. При цьому Z0  ZK T 3 еквівалентний опір першого кола складається з опору РЕ-провідника Z0, опору та опору К.З. трансформатора Zк. Еквівалентний опір другого кола, що включає опір фільтра струмів нульової послідовності 4 та опір провідника лінійної фази Zл і опір К.З. трансформатора Zк, буде на порядок меншим. В результаті струм К.З. замикається по другому колу через фільтр струмів нульової послідовності 4. Наявність другого кола для протікання струму однофазного К.З. призводить до додаткового зниження напруги на РЕ-провіднику і, відповідно, на корпусах навантажень, які підключено до мережі. При цьому збільшується значення струму К.З., що сприяє більш надійному відключенню місця К.З. системою автоматики мережі. Крім того, наявність другого контуру може бути єдиним засобом захисту від ураження електричним струмом у випадку руйнування або порушення контакту в місці підключення захисного РЕпровідника до нейтральної точки трансформатора джерела живлення. Таким чином в даній мережі відсутній нейтральний провідник, по якому, зазвичай, протікають струми нульової послідовності. В той же час, для організації живлення однофазних споживачів в цій мережі організовуються локальні ділянки зі створеними штучно за допомогою фільтрів струмів нульової послідовності нейтральними точками, які еквіпотенціальні нейтральній точці трансформатора джерела живлення. При такій побудові мережі струми нульової послідовності через живильний трансформатор мережі не протікають і не виникає падіння напруги на опорі живильного трансформатора та розосередженому опорі нейтрального провідника лінії електропередачі. При цьому в запропонованій мережі захисний PЕ-провідник постійно знаходиться під потенціалом "землі" нейтральної точки з'єднання вторинної обмотки живильного трансформатора, що забезпечує нульовий потенціал на металевих корпусах електричних навантажень при любих режимах роботи електричної системи. Тим самим досягається новий технічний результат: високий рівень електробезпеки щодо захисту людей від ураження електричним струмом. Необхідно зазначити, що використання в мережі меншої кількості провідників (нейтральний провідник відсутній) сприяє економії електротехнічних матеріалів, що суттєво покращує технікоекономічні показники мережі. Джерела інформації: 1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. Перераб. и доп. - Харьков: Изд-во "Форт", 2009. - 708 с. 2. Кравченко А.Н. Электробезопасность жилищ // Электропанорама. - 2002. - № 12. - С. 3638. 3. Жарков В.Я. Новая система заземления в сети 380 В: за и против // Электрические сети и системы. - 2005. № 3. - С. 13-18. 4. Жаркин А.Ф., Каплычный Н.Н., Козлов А.В., Новский В.А. Обеспечение качества электрической энергии и электробезопасности потребителей в сетях низкого напряжения с системой заземления TN-C-S // Электрические сети и системы. - 2010. № 4. - С. 22-26. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Трифазна електрична мережа, що містить трифазний живильний трансформатор, вторинну обмотку якого виконано по схемі "зірка з заземленим нулем", а виводи вторинної обмотки оснащено затискачами лінійних та нейтральної фаз, трифазне навантаження, яке оснащено затискачами лінійних і нейтральної фаз та корпусу, фільтр струмів нульової послідовності, оснащений затискачами лінійних та нейтральної фаз, а також трифазну лінію електропередачі, яка містить провідники лінійних фаз з відповідними опорами, вхідні виводи яких підключено до затискачів лінійних фаз вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора, а вихідні приєднано до затискачів лінійних фаз трифазного навантаження та до затискачів лінійних фаз фільтра струмів нульової послідовності, затискач нейтральної фази якого з'єднано з затискачем нейтральної фази трифазного навантаження, причому затискач корпусу трифазного навантаження підключено до вихідного виводу захисного РЕ-провідника, яка відрізняється тим, що її оснащено другим фільтром струмів нульової послідовності, який оснащено 4 UA 99297 U затискачами лінійних та нейтральної фаз, які підключено, відповідно: лінійних фаз - до вихідних виводів провідників лінійних фаз трифазної лінії електропередачі, а нейтральної фази - до вихідного виводу захисного РЕ-провідника, вхідний вивід якого безпосередньо підключено до затискача нейтральної фази вторинної обмотки трифазного живильного трансформатора. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5