Устройство измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трёхфазной сети
APPARATUS FOR MEASURING THE ACTIVE AND REACTIVE ENERGY OF ZERO SEQUENCE OF A THREE-PHASE NETWORK

Заявляемое изобретение относится к области контроля качества электроэнергии в электрических сетях 0,4 кВ общего назначения и предназначена для устройств измерения координат вектора т0ка нейтрального проводника трехфазной сети 0,4 кВ, текущие и средние значения которых используются для выбора параметров устройства компенсации (уменьшения) до заданной величины модуля тока нейтрального проводника трехфазной сети 0,4 кВ, как с автоматическим регулированием, так и с ручной установкой, чтобы удовлетворить требованиям стандарта на качество электроэнергии в сети общего назначения в части допустимой величины наведенного потенциала нейтрали.
Известно устройство измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети, принятое за прототип, построенное на базе трех однофазных счетчиков активной PI и трех однофазных счетчиков реактивной энергии РК, показания которых используются в дальнейшем анализе для расчета средних (интегральных, за определенный период) значений ортогональных составляющих тока нейтрали, условно названных активной, являющейся проекцией вектора тока нейтрали на ось фазы А (мнимую ось комплексной плоскости), и реактивной, - являющейся проекцией вектора тока нейтрали на ось, ортогональную оси фазы А (действительную ось комплексной плоскости). В данном устройстве измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети осуществляется путем особого, нестандартного подключения обмоток напряжения стандартных однофазных счетчиков электроэнергии к узлам и ветвям сети, в частности, - подключения всех обмоток напряжения однофазных счетчиков PI и PK к напряжению фазы А трехфазной сети, а их токовых обмоток - по стандартной схеме, соответственно, к ветвям фаз А, В, С сети. Отметим, что как активная составляющая, так и реактивная составляющая энергии, а, следовательно и получаемые ортогональные токи могут иметь и положительный, и отрицательный знак, а значит, в интегральной сумме можно получить и по активной энергии, и по реактивной энергии - ноль. Следовательно, применять нерегулируемые устройства компенсации тока нейтрали невозможно. Поэтому, в данном устройстве было предложено использовать счетчик ампер-квадрат часов, чтобы знать усредненную величину действующего значения тока нейтрали, для оценки необходимости установки автоматического компенсатора тока нейтрали, способного формировать текущий компенсационный ток нейтрали, противоположный по знаку текущему току нейтрали нагрузки, вектор которого может находиться в любом из четырех квадрантов. [Определение статистических характеристик тока нулевой последовательности нагрузки в сети с нейтралью / В.В. Савиных, В.В. Тропин // Известия вузов. Электромеханика. - 2012. - №5. - С. 61-63.]
Недостатком известного устройства является необходимость использования счетчика ампер-квадрат часов и невозможность получения накопленных, зарегистрированных значений ортогональных координат тока нейтрального проводника разных знаков, фактически четырех значений величин координат: двух положительных и двух отрицательных, отображаемых на четырех полуосях декартовой системы координат (комплексной плоскости). И даже может случиться, что оба счетчика покажут нулевые накопленные значения и, следовательно, будет казаться, что нет необходимости в компенсации тока нейтрального проводника сети, хотя эти нулевые величины могут быть результатом суммирования больших величин разных знаков условно реактивной и условно активной энергий, зарегистрированных счетчиками. А в этом случае требуется компенсация тока нейтрального проводника автоматически регулируемым компенсатором, рабочую мощность исполнительного органа которого необходимо определять по модулям величин условно реактивной и условно активной энергий разных знаков, зарегистрированных счетчиками. К тому же, счетчики энергии общего применения, выпускаются с устройством стопора обратного хода и поэтому известное устройство на практике не сможет найти применение из-за отсутствия регистрации активной и реактивной энергий разных знаков.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности работы и расширение функциональных возможностей устройства измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети, за счет измерения положительной и отрицательной активной энергии двумя разными трехфазными счетчика активной энергии, аналогично - положительной и отрицательной реактивной энергии двумя разными трехфазными счетчиками реактивной энергии. В результате мы получаем «четыре величины показаний счетчиков, которые пересчитываются в четыре величины усредненных значений ортогональных составляющих тока нейтрали, векторно синфазных оси фазы А сети - активные, векторно ортогональные оси фазы А сети - реактивные, изображаемых в масштабе графически на четырех полуосях декартовой системы координат (комплексной плоскости). Это позволяет оценить и модуль, и фазу тока, который необходимо сформировать в противофазе статическим устройством (например, схемой «Штейнмеца - звезда», с заранее рассчитанными параметрами), и рабочую мощность автоматического устройства компенсации тока нейтрали.
в
N
в
в
в
н
н
н
н
н
н
Технический результат достигается устройством измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети, содержащим первый трехфазный счетчик активной энергии, первый трехфазный счетчик реактивной энергии, обмотки напряжения каждой фазы которых по знаку полярности одинаково подключены между входной клеммой устройства а и нейтральной клеммой n устройства, а токовые обмотки которых, соответственно фаз А, В, С соединены последовательно между, входными клеммами a, b, с устройства и его выходными клеммами а, b, с дополнительно содержит второй трехфазный счетчик активной энергии и второй трехфазный счетчик реактивной энергии, обмотки напряжения каждой фазы которых по знаку полярности одинаково подключены между входной клеммой фазы А и клеммой нейтрали, причем токовые обмотки каждой фазы второго трехфазного счетчика активной энергии соединены последовательно и включены в разрыв между токовыми обмотками каждой фазы первого счетчика активной энергии и первого счетчика реактивной энергии, а токовые обмотки каждой фазы второго трехфазного счетчика реактивной энергии соединены последовательно и включены в разрыв между токовыми обмотками каждой фазы первого счетчика реактивной энергии и выходными клеммами а, b, c фаз А, В, С, при этом токовые обмотки каждой фазы первого и второго счетчиков активной энергии включены между собой встречно, концами их обмоток, и токовые обмотки каждой фазы первого и второго трехфазных счетчиков реактивной энергии также включены между собой встречно концами их обмоток, при этом в каждой фазе токовые обмотки второго счетчика активной энергии и первого счетчика реактивной энергии соединены между собой началами обмоток, и все счетчики имеют стопор обратного хода.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1. представлена принципиальная электрическая схема устройства измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети,
A
B
C
N
A
B
C
N
Aa
Ba
Ca
Na
Ar
Br
Cr
Nr
На фиг. 2 представлена векторная диаграмма токов I, I, I фаз А, В, С и вектора тока нейтрального проводника I в трехфазной косоугольной системе координат {А, В, С}, на комплексной плоскости {Re, Jm}, вписанной в декартовую систему координат. Ось ординат декартовой системы координат на фиг. 2 принята за мнимую ось (Jm) и одновременно - за ось направления фазы А. косоугольной трехфазной системы координат {А, В, С}; при этом проекции векторов I, I, I, I на ось ординат называемые условно активными, соответственно, - I, I, I, I а проекции на ось абсцисс - условно реактивными, соответственно, - I, I, I, I;
1
2
1
2
Устройство измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети состоит из первого и второго трехфазных счетчиков активной энергии 1 (PI), 2 (PI), а также первого и второго трехфазных счетчиков реактивной энергии 3 (РК), 4 (РК).
1
2
1
2
в
Начала обмоток напряжения каждой фазы А, В, С счетчиков активной энергии 1 (PI), 2 (PI) и счетчиков реактивной энергии 3 (РК), 4 (РК) по знаку полярности одинаково подключены между входной клеммой устройства а фазы А и нейтральной клеммой устройства.
1
2
1
2
в
в
в
н
н
н
Токовые обмотки счетчиков активной энергии 1(PI), 2 (PI) и счетчиков реактивной энергии 3(РК), 4(РК) каждой из фаз А, В, С, счетчиков соединены последовательно между входными клеммами а, b, с устройства и его выходными клеммами а, b с.
1
2
1
в
в
в
2
Токовые обмотки каждой фазы А, В, С первого 1 (PI) и второго 2 (PI) трехфазных счетчиков активной энергии соединены последовательно и включены встречно, причем начала токовых обмоток фаз А, В, С первого счетчика 1 (PI) подключены к входным клеммам а, b, с, а их концы - к концам токовых обмоток соответствующих фаз второго счетчика 2 (PI).
1
2
1
2
2
2
н
н
н
1
2
1
2
Токовые обмотки каждой фазы А, В, С первого 3 (РК) и второго 4 (РК) трехфазных счетчиков реактивной энергии соединены последовательно и включены встречно, причем начала токовых обмоток фаз А, В, С первого счетчика реактивной энергии 3 (РК) подключены к началам токовых обмоток второго счетчика активной энергии 2 (PI), а их концы - к концам токовых обмоток соответствующих фаз второго счетчика реактивной энергии 4 (РК). Начала токовых обмоток фаз А, В, С второго счетчика реактивной энергии 4 (РК) подключены к выходным клеммам устройства а, b, с. Все счетчики 1 (PI), 2 (PI), 3 (РК), 4 (РК) имеют стопор обратного хода (на фигуре не показан)
Рассмотрим работу устройства.
в
в
в
и
и
и
н
н
н
н
н
н
N
Устройство подключают клеммами в разрыв фаз А, В, С сети так, что входные клеммы а, b, с подключают к проводам фаз А, В, С со стороны источника питания, а выходные клеммы а, b, с подключают к проводам фаз А, В, С со стороны нагрузки. Клемму нейтрали устройства n подключают к нейтральному проводу сети N.
1
2
1
a
Na
2
a
Na
Так как все три обмотки напряжения первого 1 (PI) и второго 2 (PI) счетчиков активной энергии подключены на напряжение фазы А сети (фиг. 2), то по показаниям первого счетчика активной энергии 1 (PI) измеряется и регистрируется величина активной (положительной) энергии W(+) пропорциональная величине ортогональной условно активной составляющей тока нейтрали I(+) положительного направления тока (знака), что реализовано благодаря наличию стопора обратного хода. По показаниям второго счетчика активной энергии 2 (PI) измеряется и регистрируется величина активной энергии W(-) пропорциональная величине ортогональной составляющей тока нейтрали I(-) отрицательного направления тока (знака), что реализовано благодаря наличию стопора обратного хода.
1
2
1
r
Nr
2
r
Nr
Так как все три обмотки напряжения первого 3 (РК) и второго 4 (РК) счетчиков реактивной энергии также подключены на напряжение фазы А сети (фиг. 2), то по показаниям первого счетчика реактивной энергии 3 (РК) измеряется и регистрируется величина реактивной энергии W(+) пропорциональная величине ортогональной условно реактивной составляющей реактивного тока нейтрали I(+) положительного знака, что реализовано благодаря наличию стопора обратного хода. По показаниям второго счетчика реактивной энергии 4 (РК) измеряется и регистрируется величина реактивной энергии W(-) пропорциональная величине ортогональной составляющей реактивного тока нейтрали I(-) отрицательного знака, что. реализовано благодаря наличию стопора обратного хода.
a
a
r
r
Na
Na
Nr
Nr
NΣ
Измеренные величины активных W(+), W(-) и реактивных W(+), W(-) составляющих полной энергии в нулевом проводе могут быть использованы для определения активных I(+), I(-) и реактивных I(+), I(-) составляющих полного тока нулевом проводе I (см. фиг. 2).
a
Na
Ns
a
a
1
2
Ортогональные активные IN(+), I(-) составляющие тока нейтрали I определяются по измеренным и зарегистрированным значениям активной энергии положительного направления W(+) и отрицательного направления W(-) первого 1 (PI) и второго 2 (PI) трехфазных счетчиков активной энергии, полученные одновременно на одинаковом интервале времени Т.
Nr
Nr
Ns
r
r
1
2
Ортогональные реактивные составляющие I(+), I(-) тока нейтрали I определяются по измеренным и зарегистрированным значениям реактивной энергии положительного направления W(+) и отрицательного направления W(-) первого 3 (РК) и второго 4(РК) счетчиков реактивной энергии, полученные одновременно на одинаковом интервале времени Т.
Для определения ортогональных составляющих тока нейтрали (координат вектора) выполняют следующие вычисления:
a
Na
- по измеренному значению W(+) определяют усредненное за период Т значение условно активной ортогональной составляющей тока нейтрали положительного знака (направления) I(+) по формуле:
где U - напряжение, В;
a
Na
- по измеренному значению W(-) определяют усредненное за период Т значение условно активной ортогональной составляющей тока нейтрали отрицательного знака (направления) I(-) по формуле:
r
Nr
- по измеренному значению W(+) определяют усредненное за период Т значение условно реактивной ортогональной составляющей тока нейтрали положительного знака (направления) I(+) по формуле:
r
Nr
- по измеренному значению W(-)определяют усредненное за период Т значение условно реактивной ортогональной составляющей тока нейтрали отрицательного знака (направления) I(-) по формуле:
NaΣ
Усредненное за период времени Т значение суммарной условно активной составляющей I по оси ординат определяют по формуле:
Nrs
Усредненное за период времени Т значение суммарной условно реактивной составляющей I по оси абсцисс определяют по формуле:
NS
Усредненное за период времени Т значение модуля вектора тока нейтрального проводника I определяют формуле:
Знание полученных усредненных значений активных и реактивных составляющих вектора полного тока нейтрального проводника трехфазной четырехпроводной сети, позволит выбрать и установить требуемые параметры регулируемого, автоматического компенсатора тока нейтрали, уменьшающего его величину.
Na
Na
Nr
Nr
Na
Na
Nr
Nr
Для выбора рабочей мощности исполнительного органа автоматически регулируемого компенсатора тока нейтрали необходимо знать все четыре ортогональные составляющие I(+). I(-), I(+), I(-), регистрируемые на различных интервалах времени Т, чтобы видеть максимально возможные средние значения модуля тока нейтрали в процессе работы. Для этого достаточно выбрать максимальное значение сначала из условно активных составляющих I(+) или I(-), а затем по формуле (7) определить и максимально возможное среднее значение модуля тока нейтрали, используя в качестве второго катета максимальное значение из двух условно реактивных составляющих I(+) или I(-).
Конечный технический результат заключается в повышении точности измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности трехфазной сети, по которым определяется среднее значение тока нейтрального проводника сети и настройки регулятора компенсатора тока нейтрали, предназначенного для снижения до заданного значения величины тока нейтрали, формирующего величину потенциала нейтрали, которая не должна превышать 4,4 В (2%), что ограничивается требованием стандарта на качество электроэнергии ГОСТ 32144-2013.
Заявленное изобретение может широко использоваться в качестве простого и надежного устройства измерения активной и реактивной энергии нулевой последовательности, по которым определятся координаты вектора тока нейтрального проводника трехфазной сети, что необходимо для постоянного инструментального контроля величины тока нейтрального проводника трехфазной электрической сети 0,4 кВ любого предприятия или хозяйства.