СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель в качестве Системы электроснабжения ответственных приемников электрической энергии (далее Система) относится к электроэнергетике и электротехнике, может быть использована для приобретения живучести электроснабжения приемников, в частности для достижения живучести при обрыве одной из линейных или нулевой фаз линии трехфазной четырехпроводной сети, или при выходе из строя, как отдельного элемента устройства преобразовательной техники, так и его части, или всего устройства преобразовательной техники, связанного с одной отдельно взятой фазой. Устройство по заявляемой полезной модели может быть использовано как в низковольтных, так и высоковольтных системах питания ответственных приемников электрической энергии переменного тока.
Наиболее близкой к заявленной Системе по количеству существенных признаков есть система электроснабжения ответственных приемников электрической энергии [1, 2], которая содержит три однофазные или одно трехфазное устройства преобразовательной техники, входные и выходные выводы устройств преобразовательной техники, выходные зажимы системы электроснабжения и, по крайней мере, один фильтр токов нулевой последовательности, выводы которых присоединены к входным или/и выходным выводам устройств преобразовательной техники, а выходные выводы устройств преобразовательной техники присоединены к выходным зажимам системы электроснабжения.
Эта система электроснабжения имеет ряд недостатков. Первый недостаток: известная система электроснабжения имеет недостаточную живучесть, поскольку не учитывает продолжительность аварийного режима. Длительность послеаварийного режима может длиться от суток до месяца. И на протяжении этого времени система должна обеспечивать непрерывное электроснабжение ответственных приемников электрической энергии. Известная система электроснабжения может обеспечить непрерывное питание ответственных приемников лишь на протяжении отрезка времени от нескольких минут до нескольких десятков минут. Длительность этого отрезка времени определяется постоянной нагрева устройств преобразовательной техники и соединительных проводов. При этом послеаварийные токи увеличиваются в крайнем случае от 1,7 до 3 раз, а мощность нагревания элементов системы увеличивается от 3 до 9 раз. Поэтому известная система электроснабжения может обеспечить живучесть при обрыве входной фазы лишь при условии снижения мощности ответственных приемников электрической энергии по крайней мере в 1,7-3 раза. Второй недостаток: при наличии двух фильтров токов нулевой последовательности, присоединенных к входным и выходным выводам устройств преобразовательной техники, система не обеспечивает живучесть системы электроснабжения ответственных приемников при полном исчезновении одного фазного напряжения на входных выводах устройств преобразовательной техники из-за недопустимого сопутствующего снижения напряжений во всех фазах, например, при соединении обмоток питающего трансформатора по схеме Y/Yo.
В основу полезной модели поставлена задача решения указанных недостатков, в том числе:
- повысить длительную живучесть системы электроснабжения при исчезновении напряжения одной из фаз на входных выводах устройств преобразовательной техники;
- достичь симметрии и параметрического уравновешивания режима фаз при исчезновении напряжения в одной из фаз на входных выводах устройств преобразовательной техники;
- повысить надежность работы системы электроснабжения, в частности достичь симметрии и параметрического уравновешивания режима при выходе из строя элемента, узла или устройства преобразовательной техники, которые относятся к одной из трех фаз устройств преобразовательной техники;
- повысить пропускную мощность системы электроснабжения, по крайней мере, от 1,7 до 3,0 раз.
Поставленные задачи решены путем изменения принципиальной схемы системы электроснабжения и согласования режимов работы составляющих системы электроснабжения, а именно тем, что:
- в систему электроснабжения ответственных приемников электрической энергии, которая содержит три однофазные или одно трехфазное устройства преобразовательной техники, входные и выходные выводы устройств преобразовательной техники, выходные зажимы системы и, по крайней мере, один фильтр токов нулевой последовательности, выводы которых присоединены к входным или/и выходным выводам устройств преобразовательной техники, а выходные выводы устройств преобразовательной техники присоединены к выходным зажимам системы электроснабжения,
- внесены питающий трансформатор с входными и выходными выводами, трехфазная четырехпроводная линия системы и провода ввода питания к устройствам преобразовательной техники,
- входные выводы устройств преобразовательной техники присоединены к концам проводов ввода, начала проводов ввода присоединены к проводам трехфазной четырехпроводной линии сети в промежуточном ее пункте, провода начала трехфазной четырехпроводной линии системы присоединены к выводам питающего трансформатора,
- площади поперечных сечений провода нулевой фазы трехфазной четырехпроводной линии системы, провода нулевой фазы ввода к устройствам преобразовательной техники и провода вывода нулевой фазы фильтра токов нулевой последовательности, присоединенного к входным и/или выходным выводам устройств преобразовательной техники, по крайней мере, в три раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения,
- площади поперечных сечений проводов линейных фаз трехфазной четырехпроводной линии системы и проводов линейных фаз ввода к устройствам преобразовательной техники по крайней мере в 1,7 раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения, а номинальная мощность каждого однофазного устройства преобразовательной техники или части трехфазного устройства преобразовательной техники, которая относится к одной фазе, в 1,7 раза больше номинального значения пропускной мощности одной фазы выхода системы электроснабжения.
Кроме того, в Системе соединение нулевых фаз двух фильтров токов нулевой последовательности, один из которых присоединен к входным выводам устройств преобразовательной техники, а второй из них присоединен к выходным выводам устройств преобразовательной техники, выполнено проводом, поперечное сечение которого в три раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения, а площади поперечных сечений проводов линейных фаз входных выводов устройств преобразовательной техники, проводов выводов нулевых фаз устройств преобразовательной техники и части проводов линейных фаз выходных выводов устройств преобразовательной техники, длина которых ограничена узлами присоединения к ним выводов линейных фаз второго фильтра нулевой последовательности включительно, по крайней мере, в 1,7 раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения.
Кроме того, в Систему внесен третий фильтр токов нулевой последовательности, присоединенный к трехфазной четырехпроводной линии системы в пункте присоединения линии системы к выводам питающего трансформатора.
Кроме того, в Системе третий фильтр токов нулевой последовательности совмещен с питающим трансформатором.
Кроме того, в Системе вторичная обмотка питающего трансформатора, который совмещен с третьим фильтром токов нулевой последовательности, выполнена по одной из схем фильтра токов нулевой последовательности, например, зигзаг, лямбда, схеме Скотта, и тому подобное.
Кроме того. Система электроснабжения снабжена блоками защиты от отказов и аварий, связанных с проводами линии системы электроснабжения или однофазными устройствами преобразовательной техники, а также средствами отключения вышедших со строя проводов линии системы электроснабжения и однофазных устройств преобразовательной техники.
Общими с прототипом существенными признаками есть следующие: три однофазные или одно трехфазное устройство преобразовательной техники, входные и выходные выводы устройств преобразовательной техники, выходные зажимы системы и по крайней мере один фильтр токов нулевой последовательности, выводы которых присоединены к входным или/и выходным выводам устройств преобразовательной техники, а выходные выводы устройств преобразовательной техники присоединены к выходным зажимам системы электроснабжения.
Существенные отличительные признаки заявленной полезной модели следующие:
- в систему электроснабжения внесены питающий трансформатор с входными и выходными выводами, трехфазная четырехпроводная линия системы и провода ввода питания к устройствам преобразовательной техники,
- входные выводы устройств преобразовательной техники присоединены к концам проводов ввода,
- начала проводов ввода присоединены к проводам трехфазной четырехпроводной линии сети в промежуточном ее пункте,
- провода начала трехфазной четырехпроводной линии системы присоединены к выводам питающего трансформатора,
- площади поперечных сечений провода нулевой фазы трехфазной четырехпроводной линии системы, провода нулевой фазы ввода к устройствам преобразовательной техники и провода вывода нулевой фазы фильтра токов нулевой последовательности, присоединенного к входным и/или выходным выводам устройств преобразовательной техники, по крайней мере, в три раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения,
- площади поперечных сечений проводов линейных фаз трехфазной четырехпроводной линии системы и проводов линейных фаз ввода к устройствам преобразовательной техники по крайней мере в 1,7 раза больше площади поперечного сечения части провода выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, присоединенного к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения,
- номинальная мощность каждого однофазного устройства преобразовательной техники или части трехфазного устройства преобразовательной техники, которая относится к одной фазе, в 1,7 раза больше номинального значения пропускной мощности одной фазы выхода системы электроснабжения.
Кроме того, заявленная Система имеет следующие дополнительные существенные признаки: в Систему внесен третий фильтр токов нулевой последовательности, присоединенный к трехфазной четырехпроводной линии системы в пункте присоединения линии системы к выводам питающего трансформатора, третий фильтр токов нулевой последовательности совмещен с питающим трансформатором, вторичная обмотка питающего трансформатора, который совмещен с третьим фильтром токов нулевой последовательности, выполнена по одной из схем фильтра токов нулевой последовательности, например, зигзаг, лямбда, схеме Скотта, и тому подобное. Система снабжена блоками защиты от отказов и аварий, связанных с проводами линии системы электроснабжения или однофазными устройствами преобразовательной техники, а также средствами отключения вышедших со строя проводов линии системы электроснабжения и однофазных устройств преобразовательной техники.
Совокупность общих существенных и существенных отличных конструктивных признаков, которые совместно с известными и дополнительными существенными признаками обеспечивают решение поставленной задачи, и получение необходимого технического результата, позволяют в сравнении с прототипом повысить длительную живучесть системы электроснабжения при исчезновении напряжения одной из фаз на входных выводах устройств преобразовательной техники; достичь симметрии и параметрического уравновешивания режима фаз при исчезновении напряжения в одной из фаз на входных выводах устройств преобразовательной техники; повысить надежность работы системы электроснабжения, в частности достичь симметрии и параметрического уравновешивания режима при выходе из строя элемента, узла или устройства преобразовательной техники, которые относятся к одной из трех фаз устройств преобразовательной техники; что в свою очередь позволяет повысить пропускную мощность системы электроснабжения, по крайней мере, от 1,7 до 3,0 раз.
Суть технического решения объясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема системы электроснабжения, которая оснащена одним фильтром токов нулевой последовательности и тремя однофазными устройствами преобразовательной техники, например, однофазными стабилизаторами напряжения; на фиг.2 изображена система электроснабжения, которая оснащена одним фильтром токов нулевой последовательности и одним трехфазным устройством преобразовательной техники, например, трехфазным инвертором, в частности устройством плавного пуска; на фиг.3 изображена система электроснабжения, которая оснащена двумя фильтрами токов нулевой последовательности и тремя однофазными устройствами преобразовательной техники; на фиг.4 изображена система электроснабжения, которая оснащена двумя фильтрами токов нулевой последовательности и одним трехфазным устройством преобразовательной техники; на фиг.5 изображена система электроснабжения, которая оснащена тремя фильтрами токов нулевой последовательности и тремя однофазными устройствами преобразовательной техники; на фиг.6 изображена система электроснабжения, которая оснащена тремя фильтрами токов нулевой последовательности и одним трехфазным устройством преобразовательной техники; на фиг.7 изображена система электроснабжения, в которой третий фильтр токов нулевой последовательности совмещен со вторичной обмоткой питающего трансформатора; на фиг.8 даны зависимости в одной фазе трех мощностей от времени: мощности устройства преобразовательной техники, мощности фильтра токов нулевой последовательности и мощности на выходном зажиме системы электроснабжения в нормальных и аварийных режимах; на фиг.9 показано топографическое изображение входных и выходных токов фильтра токов нулевой последовательности при обрыве одной из линейных фаз линии системы.
На фиг.1 изображен трансформатор 1, символами A1, B1, C1 и 01 обозначены узлы присоединения линии электроснабжения к выводам питающего трансформатора 1; А2, В2, С2 и 02 - узлы присоединения линии электроснабжения к вводу к устройствам преобразовательной техники; A3, В3, С3 и 03 - зажимы концов проводов линии распределительной сети; А4, В4, С4 и 04 - узлы присоединения проводов вводу к входным выводам устройств преобразовательной техники; А5, В5, С5 и 05 - выходные зажимы системы электроснабжения; 2 -первый фильтр токов нулевой последовательности; 06, 07, 08 - узлы присоединения выводов нулевых фаз однофазных устройств преобразовательной техники 3, 4, 5 к проводу нулевой фазы системы электроснабжения; 3, 4, 5 - однофазные устройства преобразовательной техники, например, стабилизаторы напряжения; Вх - высоковольтный вход питающего трансформатора (начало системы электроснабжения); Вых - зажимы выхода системы электроснабжения; тонкие, средние и толстые линии соединения на чертеже - обозначение площадей поперечного сечения проводов, отношение которых между собой составляет 1:1,7:3,0.
На фиг.2 изображено трехфазное устройство 6 преобразовательной техники, например инвертор частоты, в частности устройство плавного пуска; 09 - узел присоединения нулевой фазы трехфазного устройства преобразовательной техники к нулевой фазе системы электроснабжения; остальные обозначения совпадают с обозначениями на фиг.1.
На фиг.3 обозначено: 7 - второй фильтр токов нулевой последовательности; А10, В10, С10, 010 - точки (узлы) присоединения второго фильтра 7 к линейным и нулевой фазам системы электроснабжения; возможные места отказов, повреждений или аварий показаны пунктиром; остальные обозначения совпадают с обозначениями фиг.1.
На фиг.4 обозначено: 6 - трехфазное устройство преобразовательной техники; 09 - точка (узел) присоединения провода вывода нулевой фазы трехфазного устройства преобразовательной техники к нулевой фазе системы электроснабжения; остальные обозначения совпадают с обозначениями на фиг.1. и на фиг.3.
На фиг.5 обозначено: 8 - третий фильтр токов нулевой последовательности; остальные обозначения совпадают с обозначениями на фиг.1. и на фиг.3.
На фиг.6 обозначения совпадают с обозначениями на фиг.1 и на фиг.5.
На фиг.7 обозначено: Zo - соединение вторичных обмоток питающего трансформатора распределительной сети в зигзаг; Δ - соединения первичных обмоток питающего трансформатора в треугольник; остальные обозначения совпадают с обозначениями на фиг.6.
вх
На фиг.8 обозначено: Р(А) - относительное значение входной мощности однофазного устройства преобразовательной техники в фазе А или часть мощности трехфазного устройства преобразовательной техники, которая касается фазы А; Рф(А), - относительное значение мощности фазы А, генерирующей фильтром токов нулевой последовательности; Рпр(А) - пропускная мощность системы электроснабжения, которая является суммой мощности устройства преобразовательной техники и мощности фильтра токов нулевой последовательности в фазе А в момент времени t; X - независимая переменная, именуемая как доля мощности, генерируемой фильтром токов нулевой последовательности во время отказов или аварий по отношению к пропускной мощности системы электроснабжения (X=Рф(А)/Рпр(А)); t - время; t1 - время окончания нормального режима работы устройства преобразовательной техники 3, внешние цепи которого показаны пунктирными линиями (см. фиг.3) и начало переходного процесса устройства 3, связанного с частичной утратой его выходной мощности в предаварийном режиме; t2 - конец переходного процесса устройства преобразовательной техники 3, связанного с уменьшением выходной мощности в аварийном режиме; t3-t9 - моменты времени, связанные с типичными сбоями в работе, например, однофазного стабилизатора 3 (см. фиг.3 и фиг.5) или трехфазного инвертора (см. фиг.4 и фиг.6); -X1, -Х2, -Х3 - величины падения мощности и тока однофазного стабилизатора 3; +Х1, +Х2, +Х3 - величины роста мощности фильтров 2 и 7 токов нулевой последовательности.
На фиг.9 обозначено: I(А1, 1) - ток в фазе А1, который протекает от вторичной обмотки питающего трансформатора 1 (фиг.5-фиг.6); I(В1, 1) - ток в фазе В1, который протекает от вторичной обмотки питающего трансформатора 1; I(С1, 1) - ток в фазе С1, который протекает от вторичной обмотки питающего трансформатора 1; I(A1-A4) - ток в фазе А, который протекает от узла А1 к узлу А4; I(В1-В4) - ток в фазе В, который протекает от узла В1 к узлу В4; I(С1-С4) - ток в фазе С, который протекает от узла С1 к узлу С4; I(А5), I(В5), I(С5), I(05) - токи на выходных зажимах системы электроснабжения; I(01, 1) - ток в нулевой фазе 01, который протекает от вторичной обмотки питающего трансформатора 1; I(01-04) - ток в нулевой фазе протекающий между узлами 01 и 04.
Система электроснабжения ответственных приемников электрической энергии содержит (фиг.1) питающий трансформатор 1, фильтр токов нулевой последовательности 2, линию системы, однофазные устройства преобразовательной техники 3, 4 и 5, выходные зажимы системы электроснабжения А5, В5, С5 и 05. Питающий трансформатор 1 снабжен входными Вх и выходными выводами, которые присоединены к узлам А1, В1, С1 и 01. Вход линии трехфазной сети присоединен к узлам А1, В1, С1 и 01, а выход сети показан в виде узлов A3, В3, С3 и 03. Линия системы электроснабжения является частью линии сети, ее начало присоединено к узлам А1, В1, С1 и 01, а концы ее присоединены к узлам А2, В2, С2 и 02, которые являются промежуточными выводами линии сети. Входные выводы ввода к устройствам преобразовательной техники 3, 4 и 5 присоединены к узлам А2, В2, С2 и 02 линии системы электроснабжения, а концы этого ввода в узлах А4, В4, С4 и 04 присоединены ко входным выводам однофазных устройств преобразовательной техники 3, 4 и 5, а также к выводам фильтра токов нулевой последовательности 2. Выходные выводы линейных фаз однофазных устройств преобразовательной техники 3, 4 и 5 присоединены к выходным зажимам А5, В5, С5 системы электроснабжения. Каждый выходной вывод нулевой фазы однофазных устройств преобразовательной техники 3, 4 и 5 присоединен к нулевой фазе фильтра токов нулевой последовательности 2 и к выходному зажиму 05 системы электроснабжения. Каждое однофазное устройство преобразовательной техники 3, 4 и 5 в своем составе содержит электромагнитные элементы, конденсаторные батареи и коммутационные средства, например, полупроводниковые элементы, в частности, тиристоры.
Площадь и ток в поперечном сечении провода той части выходного вывода линейной фазы устройства преобразовательной техники, которая присоединена к выходному зажиму линейной фазы системы электроснабжения, примем за 1,0. Площадь поперечного сечения проводов и ток других проводов оцениваются по отношению к выше указанным площади и току поперечного сечения, принятых за единицу: площадь - однократной; кратной 1,7; кратной 3,0; ток - однократным; кратным 1,7; кратным 3,0.
Площадь поперечного сечения вывода нулевой фазы фильтра токов нулевой последовательности по крайней мере втрое больше площади поперечного сечения линейной фазы выходного вывода однофазного устройства преобразовательной техники, например, присоединенного к выходному зажиму А5, то есть площадь поперечного сечения вывода нулевой фазы фильтра токов нулевой последовательности является трехкратной. Поэтому толщина линий, которые изображают участки провода нулевой фазы с трехкратным током, показана жирной линией. Аналогично, участки провода линейной фазы с кратностью тока 1,7 показаны линиями средней жирности в отличие от тонких линий, которые изображают участки проводов, по которым протекают однократные токи. Поэтому тонкие, средние и толстые линии соединения на чертеже введены для обозначения площадей поперечного сечения проводов, отношение которых между собой составляет 1:1,7:3,0 (фиг.1).
При этом, под понятием "фильтр токов нулевой последовательности" следует понимать мощный автотрансформаторный аппарат, мощность которого намного превышает 15 ВА и достигает мощности 5000000 ВА и больше. Напомним, что это понятие не включает в себя понятия "измерительный трансформаторный фильтр токов нулевой последовательности", мощность которого не превышает 15 ВА.
Система электроснабжения, принципиальная схема которой дана на фиг.2, вместо трех однофазных устройств преобразовательной техники (фиг.1) содержит одно трехфазное устройство 6 преобразовательной техники (фиг.2), входные выводы линейных фаз которого присоединены к узлам А4, В4 и С4, а выходные выводы линейных фаз его присоединены к узлам А5, В5 и С5. Вывод нулевой фазы трехфазного устройства 6 преобразовательной техники присоединен к нулевой фазе системы электроснабжения в пункте 09. Из фиг.2 видно, что площади поперечного сечения проводов линейных фаз выводов питающего трансформатора 1, линии электроснабжения и ввода к устройству преобразовательной техники в 1,7 раза больше площади поперечного сечения провода выходного вывода линейной фазы трехфазного устройства преобразовательной техники, а площади поперечного сечения провода вывода нулевой фазы питающего трансформатора 1, провода нулевой фазы линии электроснабжения, провода нулевой фазы ввода к устройству преобразовательной техники и провода вывода нулевой фазы фильтра токов нулевой последовательности в три раза больше площади поперечного сечения провода выходного вывода линейной фазы трехфазного устройства преобразовательной техники.
На фиг.3 изображена система электроснабжения, которая снабжена двумя фильтрами 2 и 7 токов нулевой последовательности и тремя однофазными устройствами преобразовательной техники 3, 4 и 5. Для обеспечения живучести при номинальной мощности приемников электрической энергии в случае выхода из строя одного из однофазных устройств преобразовательной техники их мощность увеличена в 1,7 раза. Из-за роста мощности, а следовательно, и токов в 1,7 раза в проводах входных и выходных выводов линейных и нулевой фаз устройств преобразовательной техники увеличена площадь поперечного сечения также в 1,7 раза. При этом площадь поперечного сечения провода, который соединяет нулевые фазы первого и второго фильтров токов нулевой последовательности, увеличена втрое.
Принципиальная схема системы электроснабжения, которая снабжена двумя фильтрами токов нулевой последовательности и одним трехфазным устройством преобразовательной техники, показана на фиг.4. Входные и выходные выводы линейных фаз присоединены к одному трехфазному устройству 6 преобразовательной техники. Вывод нулевой фазы трехфазного устройства 6 преобразовательной техники присоединен к нулевой фазе системы электроснабжения в пункте 09. Провода входных выводов линейных и нулевой фаз трехфазного устройства 6 преобразовательной техники имеют повышенную в 1,7 раза площадь поперечного сечения. Провода части выходных выводов линейных фаз устройств преобразовательной техники, ограниченные узлами соединений с выводами второго фильтра токов нулевой последовательности 7, выполнены с увеличенной в 1,7 раза площадью поперечного сечения.
На фиг.5 изображена система электроснабжения, которая снабжена тремя фильтрами токов нулевой последовательности 2, 7 и 8 и тремя однофазными устройствами преобразовательной техники 3, 4 и 5. Внесенный фильтр 8 токов нулевой последовательности присоединен к узлам соединения линии системы и выводов питающего трансформатора A1, B1, C1 и 01. При этом провода выходных выводов питающего трансформатора имеют однократные сечения. Провода линейных фаз линии системы, ввода к устройствам преобразовательной техники и выводов устройств преобразовательной техники имеют площади поперечного сечения, которые кратны 1,7. Провода выводов нулевых фаз фильтров, линии системы, ввода к устройствам преобразовательной техники и провода соединения нулевых фаз фильтров токов нулевой последовательности имеют площади поперечного сечения, которые кратны 3,0. Провода части выходных выводов линейных фаз устройств преобразовательной техники которые соединены с выходными зажимами, имеют однократную площадь поперечного сечения.
На фиг.6 изображена система электроснабжения, которая снабжена тремя фильтрами токов нулевой последовательности 2, 7 и 8 и одним трехфазным устройством преобразовательной техники 6.
На фиг.7 показана система электроснабжения, в которой третий фильтр токов нулевой последовательности совмещен с вторичной обмоткой питающего трансформатора. Такое совмещение позволяет существенно (на 46%) уменьшить суммарную установленную мощность питающего трансформатора 1 и третьего фильтра токов нулевой последовательности 8 (фиг.6) и повысить надежность работы системы за счет устранения третьего фильтра токов нулевой последовательности 8. Для достижения указанного совмещения вторичные обмотки питающего трансформатора распределительной сети выполнены, например, по схеме зигзаг (Zo). При этом первичные обмотки питающего трансформатора могут быть соединены или в треугольник (Δ) или в звезду (Yo, Y).
Работа заявленной системы электроснабжения ответственных приемников электрической энергии осуществляется следующим образом.
При изменении или колебании уровня входных напряжений однофазные устройства преобразовательной техники 3-6, например, стабилизаторы напряжения, стабилизируют выходные фазные напряжения на приемниках электрической энергии. Такой (нормальный) режим электропитания продолжается до тех пор, пока все три однофазных устройства преобразовательной техники работают без повреждений или аварии (фиг.1-фиг.7). Каждое из устройств преобразовательной техники имеет в своем составе электромагнитные элементы, например, трансформаторы или автотрансформаторы с обмотками, полупроводниковые ключи и блоки управления, имеющие конденсаторы. Указанные ключи, обмотки и блоки управления имеют ограниченную величину значения надежности. Известно, абсолютно надежных элементов не существует. Наименее надежными до сих пор остаются полупроводники, электромеханические ключи, а также конденсаторы. Отметим, что по законам вероятности частичные повреждения или аварии во всех трех однофазных стабилизаторах не возникают одновременно во всех трех фазах.
вых
вых
Рассмотрим процессы, которые имеют место при повреждении или аварии одного из устройств преобразовательной техники, например, однофазного стабилизатора напряжения (фиг.3). Допустим, что поврежденным является лишь одно устройство преобразовательной техники, например, стабилизатор напряжения 3 в фазе А. При отсутствии фильтра токов нулевой последовательности 7 и при выходе из строя стабилизатора напряжения 3, например, при перегорании тиристорного ключа на зажиме выходной фазы А5 напряжение исчезает (фиг.3-фиг.4). При присоединении фильтра токов нулевой последовательности 7 в случае выхода из строя стабилизатора напряжения 3, например, при перегорании тиристорного ключа, напряжение на зажиме А5 не исчезает, а поддерживается на необходимом уровне. Это объясняется тем, что при снижении напряжения на зажиме А5 относительно зажима нулевой фазы 05 включается параметрический режим поддержания напряжения фазы на заданном уровне, которое выполняется фильтрами токов нулевой последовательности 2 и 7. Как только напряжение на зажиме А5 начинает уменьшаться, то увеличивается трансформация мощности из двух других работающих фаз В и С, которые генерируют ток и напряжение в третью поврежденную фазу (А5). На фиг.8 представлены зависимости мощности Рвих(А) однофазного устройства 3 преобразовательной техники, мощности Рф(А) фильтров 2 и 7 токов нулевой последовательности в фазе А, а также мощности Рпр(А) приемника в фазе А на зажиме А5 в относительных единицах. Номинальная мощность Рпр(А) в фазе А является проходной мощностью фазы системы электроснабжения. Однофазные устройства 4 и 5 преобразовательной техники срабатывают одновременно и в режиме тандем с фильтрами токов нулевой последовательности 2 и 7. Текущие значения мощности и тока фильтров 2 и 7 токов нулевой последовательности зависят от величин мощности Р(А) и тока I(А) однофазного устройства 3 преобразовательной техники, например, стабилизатора напряжения (фиг.3-фиг.4). Заметим, что мощность Рпр(А), потребляемая фазой А ответственного приемника, при этом остается приблизительно постоянной величиной. Крутизна внешней вольтамперной характеристики выхода фазы А5 устройства 3 зависит от отношения мощностей однофазного стабилизатора напряжения 3, фильтров токов нулевой последовательности 2 и 7, а также проходной мощности Рпр(А). В известной системе электроснабжения (в прототипе модели) отношения мощностей однофазного стабилизатора напряжения 3 и проходной мощности Рпр(А) равняется единице (1,0). Как показали наши экспериментальные испытания, при этом проходная мощность уменьшается в 1,7 раза. В предлагаемой модели указанное отношение равняется 1,7 (корень из трех). При этом отношение мощности в линейных фазах фильтров к проходной мощности не изменилось. Из-за этого площади поперечного сечения проводов выводов линейных фаз устройств преобразовательной техники 3-6 возросли в 1,7 раза, а токи и сечения выводов линейных фаз фильтров нулевой последовательности не изменились, являются однократными и показаны на фиг.3-фиг.6 тонкими линиями. Это дало возможность повысить эффективность использования системы электроснабжения. В предлагаемой модели зависимость между мощностями стабилизатора напряжения Р(А) и фильтра токов нулевой последовательности Рф(А) можно подать приближенно в виде выражения (1).
вых
вых
вых
вых
Выражение (1) воссоздает фундаментальную суть явления роста живучести средства при выходе из строя как отдельного элемента электротехнического устройства, узла, блока, так и части устройств 3-5 (фиг.3) или всего устройства 6, связанного с одной отдельно взятой фазой (фиг.4). Заметим, что при уменьшении мощности стабилизатора напряжения Р(А) на величину (-Х) на такую же величину (+Х) возрастает (без участия человека, или средств автоматики) мощность фильтров токов нулевой последовательности, которую фильтры передают в ослабленную аварией фазу. На фиг.8 показаны зависимости в одной фазе трех мощностей Р(А), Рф(А) и Рпр(А) от времени t. В промежутке времени от 0 до t1 имеет место безаварийный режим, при котором фаза А5 системы электроснабжения получает энергию лишь от однофазного стабилизатора 3, минуя при этом фильтры токов нулевой последовательности; в этом режиме мощность не передается от фильтра 7 токов нулевой последовательности к зажиму А5 (фиг.3-фиг.6). В переходном режиме, который длится в промежутке времени между tl и t2, в результате, например, пробоя конденсатора или непредвиденного переключения полупроводниковых ключей устройства 3 его мощность уменьшается на величину -X1, а мощность фильтра в фазе А увеличивается на величину +Х1. В некоторых случаях эксплуатации конденсаторов изоляция пластин конденсатора в промежутке времени от t3-t4 может возобновиться и устройство преобразовательной техники 3 возобновит мощность Р(А) к заданному значению. В промежутке времени t4-t5 (фиг.8) имеет место возобновленный режим, при котором пропускная мощность Рпр(А) поставляется лишь устройством 3, а генерация мощности Рф(А) и тока Iф(А) в фазе А фильтрами токов нулевой мощности полностью прекращается. Если в момент t5 возникнет следующее снижение мощности Р(А) на величину -Х2, то фильтры токов нулевой последовательности снова начнут генерировать мощность Рф(А), которая равняется +Х2, и которая будет компенсировать снижение мощности устройства 3. Если же в промежутке времени t6-t7 наступит полный выход из строя устройства 3 преобразовательной техники, то фильтры 2 и 7 токов нулевой последовательности полностью переберут на себя питание фазы А ответственного приемника электрической энергии. Следовательно, фильтры 2 и 7 выступают как доноры проходной мощности и вступают в действие при наименьшем уменьшении мощности одной фазы устройств преобразовательной техники.
N
На фиг.5 и фиг.6 поданы варианты выполнения системы электроснабжения с дополнительным (третьим) фильтром токов нулевой последовательности. Системы электроснабжения, которые не содержат первого фильтра 2 и третьего фильтра токов нулевой последовательности, имеют существенный недостаток: при аварийных ситуациях в распределительной сети, например, обрыве провода фазы А в цепях "устройство преобразовательной техники - фильтр 7 токов нулевой последовательности" возникают симметричные составляющие токов обратной и нулевой последовательности, которые увеличивают нагревание элементов системы электроснабжения, вызывают дополнительные потери энергии и резко уменьшают фазные напряжения, которые приводят к нарушению живучести системы электроснабжения. Предписаниями ГОСТ 13109-97 допустимая норма симметричных составляющих напряжений нулевой Uоф и обратной U2ф последовательностей ограничена на уровне 2%, а отклонение напряжения составляющей прямой последовательности ΔU1ф ограничено на уровне 5-10%. В реальных распределительных сетях эта норма не всегда выдерживается, а в описанной аварийной ситуации только с фильтром 7 эти нормы превышены от 2 до 9 раз. Обрыв провода линейной фазы линии системы вызывает при номинальной мощности ответственных приемников электрической энергии ток I в проводе нулевой фазы, который равняется трехкратному значению номинального тока питающего трансформатора. На фиг.9 показано топографическое изображение входных и выходных токов фильтров токов нулевой последовательности 2 и 8. Если при отсутствии обрыва примем номинальный ток нагрузки в фазе, например, А за единицу (I(А, ном)=1,0), то после возникновения обрыва линейного провода фазы А в распределительной сети возникает резко несимметричная система токов (фиг.5-фиг.6):
Эта резко несимметричная система токов дважды превращаются в симметричную систему токов. Первый раз фильтр токов нулевой последовательности 8 превращает ее в симметричную систему токов, которая имеет место во вторичных обмотках питающего трансформатора 1, а именно:
Указанные резко несимметричная и симметричная системы токов показаны на топографическом изображении фиг.9. Второй раз фильтр токов нулевой последовательности 2 превращает резко несимметричную систему токов в симметричную систему токов, которая имеет место на выходе узлов А4, В4, С4, 04, а именно:
При выходе из строя одного из однофазных устройств преобразовательной техники (фиг.3) или одной фазы трехфазного устройства преобразовательной техники (фиг.4) также возникает резко несимметричная система токов, идентичная к указанной в (2). Первый раз фильтр токов нулевой последовательности 2 превращает ее в симметричную систему токов, которая имеет место в проводах А1-А4, В1-В4, С1-С4 аналогично с выражением (3). А второй раз фильтр токов нулевой последовательности 7 превращает ее в симметричную систему токов, которая имеет место на зажимах выхода А5, В5, С5, 05 аналогично с выражением (4).
Вектор падения фазных напряжений ΔUф при таких токах может быть определен из выражения (5).
N
где: I - ток в проводе нулевой фазы питающего трансформатора 1; Iтн - вектор номинального тока питающего трансформатора; Zкт - сопротивление однофазного короткого замыкания питающего трансформатора. Модуль вектора сопротивления питающего трансформатора при однофазном коротком замыкании определяется с погрешностью, не больше 1,2% с помощью выражения (6).
где: Sн - номинальная мощность в кВА питающего трансформатора. Модуль вектора номинального тока питающего трансформатора определяется из выражения (7).
Подставив (6) и (7) в (5), находим модуль падения напряжения в линии системы электроснабжения (8).
что составляет 53% от фазного напряжения 220 В. Разложив падение напряжения ΔUф на симметричные составляющие нулевой, прямой и обратной последовательности получим (9).
Следовательно обрыв провода линейной фазы в одной фазе также приводит к снижению фазных напряжений фаз В и С, что нарушает живучесть системы электроснабжения.
J0
-J120
+J120
J0
-J120
+J120
С целью устранения этого недостатка к системе электроснабжения введен третий фильтр 8 токов нулевой последовательности, который превращает несимметричную систему токов I0=3,0*e°, Iв=1,73*e° и Iс=1,73*e° в симметричную систему токов в выходных выводах питающего трансформатора: I(А1,1)=1,0*e°, I(В1,1)=1,0*e° и I(С1,1)=1,0*e°. Такое превращение токов в фильтре 8 токов нулевой последовательности выполняется с коэффициентом полезного действия около 99%.
Отметим, что фильтр 2 токов нулевой последовательности в данном случае (фиг.5 и фиг.6) выполняет такую же задачу, но в обратном направлении по сравнению его работы в случае выхода со строя устройства 3 преобразовательной техники (фиг.3 и фиг.4). При выходе из строя устройства 3 фильтр 2 токов нулевой последовательности выполняет задачу превращения симметричной системы токов в несимметричную, а в цепях фиг.5 и фиг.6 фильтр 2 превращает несимметричную систему токов в симметричную. Поэтому один и тот же фильтр токов нулевой последовательности, например, 2 в зависимости от вида аварии способен работать в прямом и обратном направлении подобно режимам двигателя и генератора.
Третий фильтр токов нулевой последовательности 8 может быть совмещен с вторичной обмоткой питающего трансформатора 1. Такое совмещение позволяет на 46% уменьшить суммарную установленную мощность питающего трансформатора 1 и третьего фильтра токов нулевой последовательности 8 (фиг.6) и тем, кроме сказанного, повысить надежность работы системы за счет устранения третьего фильтра токов нулевой последовательности 8. Для достижения указанного совмещения вторичные обмотки питающего трансформатора распределительной сети выполняются по схеме произвольного фильтра токов нулевой последовательности, обмотки которого могут быть включены в зигзаг (Zo), по лямбдоподобной схеме (λ), по схеме Скотта, и тому подобное. При указанном совмещении первичные обмотки питающего трансформатора могут быть соединены или в треугольник (Δ) или в звезду (Yo, Y).
Система электроснабжения снабжена блоками защиты от отказов и аварий, связанных с проводами линии системы электроснабжения или однофазными устройствами преобразовательной техники, а также снабжена средствами отключения вышедших со строя проводов линии системы электроснабжения или однофазных устройств преобразовательной техники. Это позволяет упростить ремонт и восстановление вышедших со строя проводов линии системы или устройств преобразовательной техники без отключения системы электроснабжения.
Применение системы электроснабжения для приобретения живучести электроснабжения приемников, в частности при выходе из строя как отдельного элемента электротехнического устройства, узла, блока, так и части устройства или всего устройства, связанного с одной отдельно взятой фазой, проверено в лабораторных и производственных условиях. Применение системы электроснабжения для приобретения живучести электроснабжения приемников, в частности при обрыве провода линии системы питания ответственных приемников, также проверено в лабораторных и производственных условиях.
Подобные системы электроснабжения могут быть использованы во всех сферах электроснабжения: от сельского хозяйства, например, при электроснабжении доильных аппаратов до металлургии. Наиболее целесообразно применять указанные фильтры в медицине, связи и военной технике. Предлагаемая полезная модель может быть интегрована в интеллектуальные сети Smart Grid.
Использованные источники информации:
1. Заявка на изобретение №а201007828 от 22.06.2010, G05F 1/14; H02H 3/00; H02M 1/10; 3/00, Бюл. №24, 2011 - аналог.
2. Патент Украины на изобретение №97216, H02P 1/24; Бюл. №1, 2012 - прототип.