СПОСОБ СИММЕТРИРОВАНИЯ ФАЗНЫХ ТОКОВ ТРЁХФАЗНОЙ ЧЕТЫРЁХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR BALANCING OF PHASE CURRENTS OF THREE-PHASE FOUR-WIRE LINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ и устройство относятся к области электротехники и могут быть использованы для автоматического симметрирования фазных токов в трехфазной четырехпроводной сети с однофазными и трехфазными потребителями.
Причиной несимметрии фазных токов в такой сети является неравенство сопротивлений нагрузок, которые могут быть включены или между любым из фазных и нулевых проводами (трехфазные или однофазные потребители) или между фазными проводами (трехфазные потребители).
Несимметрия нагрузок в первом случае является причиной существования в фазных токах составляющих обратной и нулевой последовательностей, причем признаком последней является наличие тока основной (первой) гармоники в нулевом проводе линий. Несимметричные нагрузки, включенные на междуфазные (линейные) напряжения, являются причиной токов обратной последовательности, и при этом составляющие тока нулевой последовательности в фазных проводах отсутствуют, также, как и ток в нулевом проводе. Но доля таких нагрузок в четырехпроводных сетях, как и их вклад в несимметрию фазных токов, ничтожно малы. Кроме того, предвключенное сопротивление (со стороны источника) токам обратной последовательности практически не отличается от сопротивления прямой последовательности, в то время, как сопротивление токам нулевой последовательности может многократно их превосходить - за счет сопротивлений нулевого провода и наиболее распространенных питающих трансформаторов с группой соединения обмоток звезда - звезда/ноль. Соответственно, и влияние токов обратной последовательности на качество напряжения в местах присоединения нагрузок и уровень потерь мощности значительно меньше, чем токов нулевой последовательности
Известно множество технических решений, в которых несимметрия фазных токов трехфазной четырехпроводной линии предлагается уменьшать путем динамического перераспределения нагрузок между фазами, причем, как правило, предполагается переключение однофазных нагрузок к менее нагруженной фазе. Способ определения фазы, на которую переключается однофазная нагрузка, отличает эти решения между собой как по используемым параметрам режима линии и нагрузки, так и по технической эффективности. Последнее включает чувствительность к несимметрии фазных токов линии, минимальный ее уровень, при котором возможен корректный выбор оптимального варианта подключения нагрузки, обеспечивающего наименьший уровень несимметрии, и последующее изменение подключения нагрузки без потери устойчивости режима питания нагрузки (автоколебания), а также сложность реализации и эксплуатационную надежность.
Под уровнем несимметрии здесь и далее понимается любой из используемых на практике относительных показателей, характеризующих разницу фазных токов, например:
- коэффициенты несимметрии токов по токам нулевой и обратной последовательностей, определяемые как отношение действующих значений токов этих симметричных составляющих к току прямой последовательности. Аналогичные коэффициенты для напряжений нулевой и обратной последовательностей определяет ГОСТ 13109-96;
- отношение разницы действующих значений максимального и минимального фазных токов к среднему значению действующих значений трехфазных токов;
- отношение действующего значения тока нулевого провода к среднему значению действующих значений трехфазных токов и т.п.
В большинстве известных решений, предполагающих изменение подключения однофазной нагрузки к линии, определение оптимального варианта подключения нагрузки сводится к определению наименее нагруженной фазы (фазный провод линии с наименьшим уровнем тока). Подключение нагрузки к этой фазе позволяет уменьшить несимметрию фазных токов и уровень тока в нулевом проводе трехфазной линии, а применение такого переключения, по меньшей мере, на части однофазных нагрузок, подключенных к линии, позволяет уменьшить ток в нулевом проводе по всей ее длине
Автоматизация такого переключения однофазных нагрузок может стать эффективным и наименее затратным способом симметрирования фазных токов трехфазной сети с однофазными и трехфазными потребителями и позволит снизить потери энергии в проводах линий и питающих их трансформаторах, увеличить срок их эксплуатации, снизить уровень несимметрии фазных напряжений и повысить качество электрической энергии.
Наличие трехфазных потребителей на таких линиях, как правило, не уменьшает возможного уровня несимметрии фазных токов, поскольку они и сами могут иметь значительную внутреннюю несимметрию потребляемых токов, распределение которых по фазам практически неподконтрольно и недоступно для изменения со стороны питающей сети. В то же время, доля трехфазных потребителей в сетях 0,4 кВ непрерывно возрастает, как и их вклад в уровень несимметрии фазных токов - как общий, так и на отдельных участках питающей линии. При этом возможность радикально повлиять на уровень несимметрии линии по всей ее длине за счет переключения одних только однофазных потребителей уменьшается. Поэтому целесообразно использовать для этих целей также и внутреннюю несимметрию фазных токов трехфазных потребителей.
Известно предложение снижать уровень токов обратной последовательности на стороне высокого напряжения трехфазного трансформатора путем изменения подключения нагрузки к его низкой стороне на допустимые варианты подключения, к которым относятся подключения с одинаковой последовательностью чередования фаз (Коваленко П.В. Симметрирование токов в трехфазных сетях путем кругового переключения фаз нагрузки. www.rusnauka.com〉DN2006/Tecnic/5_kovalenkop.v doc.htm). Допустимые варианты подключения фаз нагрузки ограничены только одной последовательностью их чередования, что является обязательным для трехфазного потребителя на случай наличия у него трехфазной двигательной нагрузки. Известное решение позволяет повлиять на уровень несимметрии фазных токов трансформатора со стороны, противоположной нагрузке, но только в случае, если группа соединения его обмоток отлична от 12. Однако существенно изменить уровень несимметрии фазных токов на стороне переключаемой нагрузки оно не позволяет, тем более на периферийных участках питаемых этим трансформатором трехфазных линий с распределенными по их длине однофазными и трехфазными потребителями.
Однофазные нагрузки можно рассматривать как частный случай несимметричной трехфазной нагрузки, и поэтому технические решения, использующие изменение подключения однофазных потребителей для симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, в какой-то мере могут быть применены и для трехфазных потребителей.
Известен способ симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, предполагающий переключение однофазной нагрузки к наименее нагруженной фазе линии, которую определяют сравнением аргументов (фаз) основной гармоники напряжения нулевой последовательности (ННП) по отношению к каждому из фазных напряжений в месте присоединения однофазной нагрузки, а переключение однофазной нагрузки производят при превышении ННП порогового значения (авт.св. СССР №604080, Устройство для автоматического переключения однофазных потребителей в низковольтных распределительных сетях, МПК Н02J 3/26).
Достоинство указанного известного способа - в минимальности средств, используемых для определения необходимости изменения и оптимального варианта подключения нагрузки, поскольку необходимая информация получается по тем же силовым цепям, которые используются для подключения однофазной нагрузки к фазным проводам линии.
Применить этот способ симметрирования фазных токов линии с трехфазными нагрузками нельзя, поскольку он не позволяет выбирать из возможных подключений таких нагрузок к фазным проводам линии, обеспечивающие снижение уровня несимметрии.
Кроме того, рассматриваемый способ не обеспечивает корректную работу при низких уровнях несимметрии фазных токов из-за необходимости отстройки от различных факторов, влияющих на используемые для этого информационный параметр угол сдвига ННП по отношению к каждому из фазных напряжений в месте подсоединения однофазной нагрузки. К этим факторам относятся:
- изменение параметров ННП при переключении однофазной нагрузки на другую фазу в месте ее подсоединения. Это может стать причиной обратного переключения, то есть неустойчивости режима (автоколебаний), что более нежелательно, чем, например, подключение нагрузки к фазе с нагрузкой не абсолютно меньшего уровня;
- влияние на параметры ННП в месте присоединения переключаемой однофазной нагрузки, изменение параметров нагрузок других линий (фидеров), питающихся от общего трансформатора, а также при их переключении на другие фазы, что может привести к переключению однофазной нагрузки на другую фазу и к неоптимальному распределению нагрузки по фазам в пределах одной линии;
- наличие нелинейных нагрузок в сети, приводящих к искажению ННП высшими гармониками, что при использовании фазового принципа неизбежно приводит к большим ошибкам в определении наименее нагруженной фазы;
- зависимость уровня ННП от положения переключаемой однофазной нагрузки на линии, то есть, от величины предвключенного сопротивления, основную часть которого составляют сопротивления линии и трансформатора питания.
Известен также способ симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной сети путем переключения фазного провода однофазной нагрузки на наименее нагруженную фазу линии, которую определяют путем сравнения уровней токов фаз с питающей стороны линии относительно места подключения однофазной нагрузки, а ее переключение производят при условии превышения разности тока фазы однофазной нагрузки и тока наименее нагруженной фазы над током однофазной нагрузки (авт.св. СССР №1034119, Способ подключения однофазной симметрирующей нагрузки, МПК H02J 3/26; авт.св. СССР №993389, Устройство для симметрирования токов и напряжений в электрических сетях, МПК H02J 3/26).
Прямое измерение значений уровней фазных токов линии, предполагаемое таким способом, позволяет достаточно просто определить наименее нагруженную фазу (с наименьшим значением тока), причем влияние на результат изменений нагрузок других линий (фидеров), питающихся от общего трансформатора, в этом способе значительно ниже, чем у рассмотренного выше. Однако и этот способ симметрирования применить с трехфазной нагрузкой нельзя, поскольку он никак не учитывает несимметрию фазных токов этой нагрузки и потому не позволяет определить оптимальный порядок подключения фаз такой нагрузки к линии.
Но и применительно к однофазной нагрузке, при определении наименее нагруженной фазы линии по измеренным значениям фазных токов линии, один из которых содержит также и ток однофазной нагрузки, нельзя достичь высокой чувствительности к уровню несимметрии, поскольку, в соответствии с условием способа, переключение на другую фазу может производиться только при разнице фазных токов линии, превышающей ток однофазной нагрузки.
Другим недостатком этого способа является сложность реализации, неприемлемая для широкого применения в электрических сетях. Кроме подсоединений к трем фазным и нулевому проводам линии, минимально необходимых для подключения нагрузки к трехфазной линии, рассматриваемый способ, кроме того, предполагает получение информации о токе каждой из трех фаз. Для этого требуется либо врезание в транзитные провода линии с их разрывом, что неприемлемо как по конструктивным, так и по эксплуатационным требованиям, либо применение датчиков, измеряющих ток без разрыва токонесущего провода. Кроме того, установка датчиков тока на фазных проводах линий при любом их исполнении (неразъемном или разъемном) сопряжена с необходимостью их защиты - как климатической, так и антивандальной. Такую защиту особенно сложно обеспечить конструктивно на линиях с воздушной изоляцией, где провода разных фаз разнесены на большие расстояния друг от друга и нет возможности разместить датчики тока в общем боксе.
Наиболее близким к предлагаемому является способ симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, включающий измерение в месте присоединения однофазной нагрузки фазных напряжений, тока нагрузки и тока нулевого провода линии с ее питающей стороны и изменение текущего подключения фазного провода нагрузки к фазному проводу линии на одно из других подключений, причем условием переключения нагрузки является превышение ее тока током нулевого провода линии с ее питающего конца (Способ управления переключениями однофазной симметрирующей нагрузки, авт. св. СССР №1257748, МПК H02J 3/26).
Устройство, реализующее этот способ, содержит блок переключения нагрузки, первый, второй и третий входы которого являются входами устройства и служат для подключения к соответствующим фазным проводам питающей линии, выход блока переключения нагрузки является выходом устройства и служит для подключения первого входа однофазной нагрузки, второй вход которой соединен с нулевым проводом питающей линии, первый датчик тока, подключенный к нулевому проводу линии с ее питающей стороны относительно места присоединения однофазной нагрузки, и второй датчик тока однофазной нагрузки, выходы которых подключены к блоку сравнения, блок определения наименее нагруженной фазы, первый, второй и третий входы которого, соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока переключения нагрузки, а выход соединен с первым входом блока управления, к второму входу которого подключен выход блока сравнения, а выход блока управления соединен с управляющим входом коммутатора (авт. св. СССР №1257748, МПК H02J 3/26).
В рассматриваемых способе и устройстве наименее нагруженная фаза линии определяется без учета значений токов фаз линии в месте подключения каждой из нагрузок, что освобождает от необходимости применения средств измерения этих токов, а это одна из основных причин, ограничивающих широкое использование изменения подключения нагрузок к линии для симметрирования ее фазных токов. Но, в то же время, это является причиной высокого уровня несимметрии фазных токов линии, при котором по фазным напряжениям линии может быть корректно определена наименее нагруженная фаза, поскольку на используемые для этого параметры фазных напряжений линии влияют факторы, указанные выше для способа по авт.св. СССР №604080, МПК H02J 3/26.
К тому же, использование сигналов тока нагрузки (или ее нулевого провода, что то же самое для однофазной нагрузки с учетом знака) и тока нулевого провода линии с питающей стороны, формируемые датчиками тока, никак не способствует снижению уровня несимметрии фазных токов, при котором надежно определяется оптимальное подключение, а, напротив, служит для ограничения чувствительности с целью предотвращения автоколебаний, причинами которых могут быть указанные выше влияющие факторы.
Еще одним фактором, ограничивающим уровень несимметрии фазных токов линии, при котором корректно может производиться переключение нагрузки, являются нелинейный характер потребляемого тока, порождающего высшие гармоники в фазных токах и токе нулевого провода линии, которые могут быть соизмеримы по уровню. В этом случае уровень тока нулевого провода остается высоким и при отсутствии несимметрии фазных токов, что может привести к ложному определению наименее нагруженной фазы, на которую переключается нагрузка, и, в конечном счете, возникновению автоколебаний. По этой причине уровень тока, при котором допускается переключение нагрузки, должен быть дополнительно увеличен с учетом максимально возможного уровня высших гармоник тока в нулевом проводе линии. Этот ток не может быть уменьшен путем переключения однофазных нагрузок к другим фазным напряжениям линии, плохо предсказуем и зависит не только от текущей доли нелинейной составляющей в нагрузках линии, но и от близости однофазной нагрузки к питающему концу линии относительно других ее нагрузок.
Применение известного решения к трехфазной нагрузке не является возможным, поскольку недостаточно информации для оценки вклада ее разных фаз на фазные токи лини. В частности, для этого не может быть использован ток нулевого провода с питающей стороны линии, в котором кроме ее тока содержится также составляющая, вносимая переключаемой нагрузкой.
К тому же, из-за возможного наличия в составе трехфазной нагрузки потребителей, критичных к порядку чередования фаз, например, трехфазных двигателей, существует ограничение на варианты возможного их подключения к трехфазной сети, которые далее называются технически допустимыми: абсолютные наименования (маркировка) фаз при этом не регламентируются, важно лишь сохранение порядка их чередования.
В изобретении решается задача создания способа симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии и реализующего его устройства за счет изменения подключения однофазных или трехфазных нагрузок, обеспечивающих высокую чувствительность к уровню несимметрии фазных токов линии при сохранении функциональной надежности при низких затратах на аппаратуру, ее установки на месте применения и эксплуатации.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является снижение уровня несимметрии фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, при котором обеспечивается корректное переключение несимметричной трехфазной или однофазной нагрузки, обеспечивающее наименьший уровень несимметрии с питающей стороны линии относительно места присоединения этой нагрузки. При этом обеспечиваются функциональная надежность и низкие затраты на аппаратуру, ее установку на месте применения и эксплуатацию.
Технический результат достигается тем, что в способе симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, включающем получение в месте присоединения нагрузки сигналов фазных напряжений, тока нулевого провода линии и тока нулевого провода нагрузки и последующее изменение текущего подключения фазных проводов нагрузки к фазным проводам линии, как одного из трех технически допустимых ее подключений ABC, CAB и ВСА, на одно из двух других подключений,
для текущего и двух других подключений фазного провода однофазной нагрузки или двух других подключений фазных проводов трехфазной нагрузки к фазным проводам линии с такой же последовательностью чередования фаз, как и у текущего подключения, определяют значения показателей несимметрии фазных токов линии с ее питающей стороны,
причем в качестве последующего выбирают подключение нагрузки с наименьшим значением показателя несимметрии.
Показатель несимметрии фазных токов линии с ее питающей стороны предлагается определять как сумму модулей трех значений активной мощности нулевого провода питающей стороны линии, соответствующих каждому из сигналов фазных напряжений и сигнала тока нулевого провода линии с ее питающей стороны.
Значения активных мощностей нулевого провода линии с ее питающей стороны для каждой из фаз текущего и двух других подключений нагрузки к линии определяют, суммируя значение активной мощности, соответствующее сигналу фазного напряжения и сигналу тока нулевого провода нагрузки, и значение активной мощности, соответствующее сигналу одноименного фазного напряжения и сигналу тока нулевого провода линии со стороны ее конца или разности сигналов тока нулевого провода линии с ее питающей стороны и тока нулевого провода нагрузки.
Значения активных мощностей нулевого провода линии и нагрузки для каждой из фаз определяют путем аналого-цифрового преобразования (измерения) результата усреднения за период частоты сети (сглаживания) сигнала аналогового произведения сигналов фазного напряжения и тока нулевого провода (линии или нагрузки) или путем вычисления среднего значения за период частоты сети значений произведений одноименных отсчетов аналого-цифрового преобразования указанных сигналов.
При определении активной мощности нулевого провода для однофазной нагрузки вместо сигнала тока ее нулевого провода используют сигнал тока ее фазного провода, взятый с противоположным знаком.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для реализации предлагаемого способа, содержащем блок переключения нагрузки первый, второй и третий входы которого являются соответствующими входами устройства и служат, для подключения к трем фазным проводам питающей линии, четвертый вход устройства служит для подключения к нулевому проводу линии,
блок переключения нагрузки выполнен с возможностью управляемого соединения его первого, второго и третьего входов с его первым выходом, который является первым выходом устройства и служит для подключения фазного провода нагрузки
блок управления,
первый и второй датчики тока, первые выходы которых соединены с четвертым входом устройства,
первый, второй и третий датчики фазных напряжений, первые входы которых соединены с четвертым входом устройства, а вторые входы подключены, соответственно, к первому, второму и третьему входам устройства,
выходы первого, второго и третьего датчиков фазных напряжений соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока управления, выходная шина которого подключена к управляющей шине блока переключения нагрузки,
вторые выходы первого и второго датчиков тока подключают, соответственно, к четвертому и пятому входам блока управления, блок переключения нагрузки дополнительно снабжен вторым и третьим выходами и выполнен с возможностью их управляемого соединения с первым, вторым и третьим его входами, четвертый выход устройства соединен с его четвертым входом и служит для подключения нулевого провода нагрузки.
Блок управления может быть выполнен в виде многоканального аналого-цифрового преобразователя и блока математической обработки, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый входы блока определения оптимального подключения являются соответствующими входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока математической обработки, выходная шина которого является выходной шиной блока управления.
Для трехфазной нагрузки блок переключения нагрузки может быть выполнен в виде трех управляемых трехполюсных коммутирующих элементов, входные зажимы одноименных фаз которых соединены между собой и образуют, соответственно, первый, второй и третий входы блока переключения нагрузки, выходные зажимы разноименных фаз трехполюсных коммутирующих элементов соединены между собой и образуют, соответственно, первый, второй и третий выходы блока переключения нагрузки, а управляющие входы коммутирующих элементов образуют его шину управления.
Для однофазной нагрузки блок переключения нагрузки может быть выполнен в виде трех управляемых однополюсных коммутирующих элементов, входные зажимы которых образуют, соответственно, первый, второй и третий входы переключателя, выходные зажимы однополюсных коммутирующих элементов соединены между собой и образуют выход блока переключения нагрузки, а управляющие входы коммутирующих элементов образуют его шину управления.
В качестве первого и второго датчиков тока могут быть использованы трансформаторы тока, причем, по меньшей мере, первый из них целесообразно выполнить разъемным.
Преимуществами предложенного способа являются низкий уровень несимметрии фазных токов, при котором без снижения функциональной надежности выбирается оптимальный вариант подключения нагрузки, обеспечивающий в месте ее присоединения к линии наименьший, в сравнении с другими технически допустимыми подключениями, уровень несимметрии фазных токов трехфазной четырехпроводной линии с ее питающей стороны. При этом способ работоспособен как с однофазной, так и с трехфазной нагрузками, и обеспечивает при реализации низкие затраты на аппаратуру, ее установку на месте применения и на эксплуатацию.
Функционально надежное (корректное) переключение нагрузки достигается за счет того, что выбор оптимального варианта подключения нагрузки к линии производится путем сравнения всех технически допустимых вариантов подключения нагрузки по показателю несимметрии, однозначно характеризующему уровень несимметрии фазных токов. В этом состоит одно из основных отличий предлагаемого способа симметрирования от известных, в которых принятие решения об изменении такого показателя системы как «несимметрия фазных токов» основано либо на косвенных параметрах режима линии (уровни фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, углы сдвига фаз по отношению к ним токов фаз или нулевого провода и высшие гармоники в их составе), подверженных влиянию большого количества факторов, либо на параметрах режима (уровни фазных токов линии), измерение которых сопряжено с усложнением и удорожанием реализации и эксплуатации и потому ограничивающих перспективу широкого применения.
По параметрам режима линии, доступным для измерения в месте присоединения нагрузки и используемым в предлагаемом способе (фазные напряжения и токи нулевых проводов линии и нагрузки) несимметрия фазных токов линии может быть оценена и другими показателями. Например, это может быть напряжение и ток нулевой последовательности, как это предлагается в приведенных выше известных решениях для однофазных нагрузок, однако это сопряжено с указанными там же недостатками.
В предлагаемом способе в качестве показателя несимметрии для каждого технически допустимого варианта подключения нагрузки предлагается использовать значение суммы модулей трех активных мощностей, соответствующих сигналам каждого из трех фазных напряжений и тока нулевого провода линии с ее питающей стороны. Определять же этот показатель несимметрии предлагается с использованием сигнала тока нулевого провода линии со стороны ее конца относительно места присоединения нагрузки, для чего суммируют значение активной мощности, соответствующее сигналу фазного напряжения и сигналу тока нулевого провода нагрузки, и значение активной мощности, соответствующее сигналу одноименного фазного напряжения и сигналу тока нулевого провода линии со стороны ее конца. Вместо сигнала тока нулевого провода линии со стороны ее конца возможно использовать разность сигналов тока нулевого провода линии с ее питающей стороны и тока нулевого провода нагрузки.
Для подключения нагрузки к линии из трех технически допустимых с одинаковой последовательностью чередования фаз для трехфазной нагрузки выбирается вариант, имеющий наименьшее значение показателя несимметрии, то есть, суммы модулей трех активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода линии с ее питающей стороны.
Для подключения нагрузки к линии из трех технически допустимых с одинаковой последовательностью чередования фаз, например, ABC, CAB и ВСА, для трехфазной нагрузки выбирается вариант, имеющий наименьшее значение показателя несимметрии, то есть, суммы модулей трех активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода линии с ее питающей стороны.
Определение предлагаемого показателя несимметрии значительно проще, чем, например, таких известных и используемых на практике показателей несимметрии, как коэффициенты несимметрии по токам нулевой или обратной последовательностей, для определения которых требуется получение информации о фазных токах - и по сложности вычислительных операций, и аппаратной реализации, и по возможности применения на месте эксплуатации. В то же время, предлагаемый показатель несимметрии обеспечивает высокую чувствительность к низким уровням несимметрии при низкой чувствительности к влияющим факторам, указанным выше при анализе известных решений.
Активная мощность, определяемая через произведение мгновенных значений фазного напряжения и тока нулевого провода линии, в значительно меньшей мере чувствительна к изменению указанных выше влияющих факторов, чем фазные напряжения или даже фазные токи, параметры которых используются в качестве основных для изменения подключения нагрузки в известных решениях (применительно к однофазным нагрузкам).
Действительно, активная мощность, определяемая как среднее значение мгновенного произведения сигналов фазного напряжения и тока нулевого провода, пропорциональна последнему и, следовательно, коэффициенту несимметрии по току нулевой последовательности, в то время как чувствительность относительной величины каждого из этих параметров к указанным выше влияющим факторам невелика и не превышает 10-15%. Это значение ниже, чем в известном способе, использующем для  изменения подключения нагрузки параметры напряжения нулевой последовательности, абсолютный уровень которого составляет единицы процентов от фазных напряжений, что сравнимо с влиянием на уровень последних влияющих факторов. Это также меньше, чем у рассмотренного выше известного способа, использующего в качестве признака наименее загруженной фазы значения фазных токов с питающей стороны линии, чувствительность которого ограничена уровнем тока переключаемой однофазной нагрузки.
Кроме того, использование для выбора оптимального варианта подключения нагрузки в качестве информационного параметра активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода линии в месте подключения нагрузки, обеспечивает значительно меньшую чувствительность к высшим гармоникам в составе как фазных напряжений, так и тока нулевого провода. Наиболее распространенная в настоящее время нелинейная нагрузка в трехфазных четырехпроводных сетях - выпрямительная (однофазные выпрямители с емкостным сглаживанием), при равномерном распределении которой по фазам дает в нулевом проводе ток, содержащий, преимущественно, гармоники, кратные 3, причем их уровень (действующее значение) в нулевом проводе может быть сравним и даже превышать уровень фазных токов. Если нелинейная нагрузка еще и несимметрична по фазам линии, то в токе нулевого провода будет содержаться уже весь спектр нечетных гармоник. Поскольку фазные напряжения питающих линий искажены значительно меньше, чем фазные токи (коэффициент гармоник даже при больших искажениях фазных токов редко превышает 5%), то активная мощность, соответствующая составляющей фазного напряжения основной частоты и высшим гармоникам тока, близка к нулю. По этой причине относительный уровень влияния высших гармоник тока нулевого провода на значения соответствующих ему активных мощностей будет близок к значению коэффициента гармоник. То есть, на используемый при переключении однофазной нагрузки информационный параметр - активные мощности, соответствующие каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода, влияние высших гармоник, содержащихся в токе нулевого провода, значительно ниже, чем при использовании в качестве такого параметра уровней фазных и нулевого токов, также как и фазных напряжений. Это также способствует повышению чувствительности предлагаемого способа к уровню несимметрии фазных токов.
Важным результатом предлагаемого решения является то, что для вычисления активных мощностей, необходимых для реализации предлагаемого способа, используется информация о токе только одного из четырех транзитных проводов линии - нулевого провода (либо со стороны питания, либо с конца линии относительно места присоединения нулевого провода нагрузки) и о фазных напряжениях каждой из трех фаз, то есть, без получения информации о фазных токах линии. Если получение сигналов фазных напряжений не представляет технической сложности - подключение ко всем четырем проводам линии в любом случае необходимо для обеспечения возможности подключения нагрузки ко всем трем фазам, то получение информации о токах во всех четырех транзитных проводах линии с помощью соответствующих датчиков не только значительно усложняет реализацию, но и неприемлемо для реальных условий эксплуатации. Отсутствие необходимости в применении датчиков токов фазных проводов линии при одновременном обеспечении высокой чувствительности устройства к несимметрии фазных токов, позволяет существенно снизить стоимость реализующего предлагаемый способ устройства, его установки и эксплуатации, в том числе и за счет мер по их защите - климатической и антивандальной. Кроме того, это повышает эксплуатационную надежность, поскольку эффективность любой возможной защиты конечна. Особенно это относится к линиям с воздушной изоляцией, на которых из-за больших расстояний между проводами практически нереально применять защиту, выполненную в виде бокса, общего для всех датчиков тока и симметрирующего устройства. Использование в предлагаемом устройстве датчиков тока только для нулевых проводов линии и нагрузки делает возможной их защиту указанным способом.
Схема устройства, реализующего предлагаемый способ симметрирования для трехфазной нагрузки, приведена на фиг. 1. Там же показан порядок его подключения к трехфазной четырехпроводной линии.
На фиг. 2 показана возможная реализация блока переключения нагрузки 1 для трехфазной нагрузки.
На фиг. 3 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ на присоединении однофазной нагрузки. Там же показан способ его подключения к трехфазной четырехпроводной линии.
На фиг. 4 показана возможная реализация блока переключения нагрузки 1 для однофазной нагрузки.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит блок 1 переключения нагрузки, блок 2 управления, первый 3 и второй 4 датчики тока, а также первый 5, второй 6 и третий 7 датчики фазных напряжений. Первый 8, второй 9 и третий 10 входы устройства служат для подключения фазных проводов питающей линии и являются одновременно соответствующими входами блока 1 переключения нагрузки, а четвертый 11 вход устройства предназначен для подключения нулевого провода линии. Первый 12, второй 13 и третий 14 выходы устройства являются соответствующими выходами блока 1 переключения нагрузки, а четвертый 15 выход устройства соединен с его четвертым входом 11, предназначен для подключения нулевого провода нагрузки и служит в качестве точки нулевого потенциала устройства.
Первые входы первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений соединены, соответственно, с первым 8, вторым 9 и третьим 10 входами устройства, вторые входы первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений соединены с точкой нулевого потенциала 11, а их выходы подключены, соответственно, к первому 16, второму 17 и третьему 18 входам блока 2 управления. К четвертому 19 и пятому 20 входам блока 2 управления подключены, соответственно, выходы первого 3 и второго 4 датчиков тока, вторые выходы которых соединены, соответственно, с точкой нулевого потенциала 11.
Блок 2 управления на фиг. 1 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 21 и блок 23 математической обработки сигналов, причем первый, 16 второй 17, третий 18, четвертый 19 и пятый 20 входы блока 2 управления являются соответствующими входами многоканального аналого-цифрового преобразователя 21, выход 22 которого соединен с входом блока 23 математической обработки сигналов, выходная шина 24 которого является выходом блока управления.
Возможная реализация блока переключения нагрузки 1 для трехфазной нагрузки показана на фиг. 2 и содержит первый 25, второй 26 и третий 27 управляемые трехполюсные коммутирующие элементы, входные зажимы одноименных фаз которых соединены между собой и образуют первый, второй и третий входы блока переключения нагрузки 1, подключаемые в устройстве, соответственно, к его первому 8, второму 9 и третьему 10 входам. Выходные зажимы разноименных фаз первого 25, второго 26 и третьего 27 трехполюсных коммутирующих элементов соединены между собой так, что формируют первый, второй и третий выходы блока переключения нагрузки 1, подключаемые в устройстве, соответственно, к его первому 12, второму 13 и третьему 14 выходам, причем их соединение соответствует допустимой круговой последовательности чередования фаз для замкнутого состояния каждого из трех названных трехполюсных коммутирующих элементов. Управляющие входы трехполюсных коммутирующих элементов 25, 26 и 27 образуют шину управления 24 блока переключения нагрузки 1.
Возможная реализация блока переключения нагрузки 1 для однофазной нагрузки показана на фиг. 4 и содержит три управляемых однополюсных коммутирующих элементов 28, 29 30, входные зажимы которых образуют первый, второй и третий входы блока переключения нагрузки 1, подключаемые в устройстве, соответственно, к его первому 8, второму 9 и третьему 10 входам. Входные зажимы однополюсных коммутирующих элементов 28, 29 30 соединены между собой и служат для подключения фазного провода однофазной нагрузки. Управляющие входы однополюсных коммутирующих элементов 28, 29 и 30 образуют шину управления 24 блока 1 переключения нагрузки.
Устройство своими первым 8, вторым 9, третьим 10 и четвертым 11 входами подключается, соответственно, к фазным Fl, F2 и F3 и нулевому N проводам трехфазной четырехпроводной линии, а при использовании трехфазного блока 1 переключения нагрузки к его первому 12, второму 13, третьему 14 и четвертому 15 выходам присоединяется, соответственно, 3 фазных и нулевой провода трехфазной нагрузки L. Первый датчик тока 3 устанавливается на нулевом N проводе линии со стороны, противоположной питанию относительно места подключения четвертого 11 входа устройства, а второй датчик тока 4 устанавливается на нулевом проводе устройства, соединяющем его четвертые вход 11 и выход 15.
Предлагаемый способ позволяет по параметрам режима, доступным в месте присоединения нагрузки (однофазной или трехфазной) к трехфазной четырехпроводной линии, из трех технически допустимых вариантов подключения нагрузки к трем фазным проводам линии, определить оптимальный, обеспечивающий при наличии несимметрии фазных токов линии со стороны ее конца и несимметрии токов самой нагрузки наименьший уровень несимметрии фазных токов линии со стороны ее питающего конца. Функционально надежное (корректное) переключение нагрузки достигается за счет того, что выбор оптимального варианта подключения нагрузки к линии производится по показателю несимметрии, количественно характеризующему уровень несимметрии фазных токов.
В качестве такого показателя несимметрии в предлагаемом способе для каждого допустимого варианта подключения нагрузки к линии используется значение суммы модулей трех активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода линии с ее питающей стороны относительно места присоединения нагрузки. Предлагается формировать показатель несимметрии Нс в следующей последовательности:
A
B
C
о
о
н
л
- в месте присоединения нагрузки с помощью измерительных преобразователей (датчиков) формируют сигналы, пропорциональные фазным напряжениям U, U и U, току нулевого провода нагрузки I  и току нулевого провода линии I  со стороны ее конца относительно места присоединения нагрузки,
о
- определяют значения активной мощности Р нулевого провода линии (первый верхний индекс «л») с ее конца (второй верхний индекс «к»), соответствующие среднему значению за период частоты сети произведения мгновенных значений каждого из трех сигналов фазных напряжений и тока нулевого провода линии со стороны ее конца (индексы те же) относительно места присоединения нагрузки:
о
н
- определяют значения активных мощностей нулевого провода нагрузки (верхний индекс «н»), соответствующие среднему значению произведения мгновенных значений каждого из трех сигналов фазных напряжений и тока нулевого провода нагрузки I :
о
- для текущего и двух других технически допустимых подключений нагрузки к линии определяют значения активных мощностей Р, соответствующих каждому из трех сигналов фазных напряжений (индексы А, В и С) и тока нулевого провода линии (первый верхний индекс «л») со стороны источника питания (второй верхний индекс «и»). Для текущего (индекс Abc) и двух других (индексы caB и bCa) подключений к фазным проводам линии фазного провода однофазной нагрузки (его индекс обозначен прописной буквой) или текущего (индекс Abc) и двух других технически допустимых подключений фазных проводов трехфазной нагрузки с такой же, как и у текущего подключения, последовательностью чередования фаз (индексы саВ и bCa) к фазным проводам линии, суммируют с учетом знаков значения активных мощностей нулевых проводов одноименных фаз линии и нагрузки, объединяемых при подключении:
для каждого технически допустимого подключения нагрузки к линии (текущего и двух других с одинаковой последовательностью фаз, например, Abc, саВ и bCa) определяют значение показателя несимметрии Нс в виде суммы модулей активных мощностей нулевого провода линии с ее питающей стороны для всех трех фаз:
Если значение показателя несимметрии Нс текущего подключения нагрузки к линии оказалось менее показателя несимметрии двух других технически допустимых подключений, то изменение подключения не производится. В противном случае, когда значение показателя несимметрии Нс оказалось наименьшим у одного из двух других технически допустимых подключений, то производится переключение нагрузки в соответствии с этим подключением.
При этом автоматически учитывается наличие внутренней несимметрии фазных токов трехфазной нагрузки. При ее отсутствии или незначительном уровне значения показателей несимметрии Нс текущего и двух других технически допустимых подключений будут близки друг другу и изменение подключения нагрузки не имеет смысла, что может быть учтено в логике работы устройства.
о
о
о
л
л
л
Для реализации предлагаемого способа возможно также использование измеренных значений тока нулевого провода линии I  не со стороны ее конца, а с ее питающей стороны. Однако это только усложняет задачу, поскольку для выбора оптимального присоединения нагрузки к линии рассмотрение и сравнение всех технически допустимых вариантов присоединения нагрузки должно производиться в одинаковых условиях, в частности, по параметрам тока нулевого провода линии, информация о котором в этом случае доступна для текущего подключения. Определить его для двух других вариантов подключения технически сложно из-за влияния тока нулевого провода нагрузки. Оно может быть устранено исключением (вычитанием) тока нулевого провода нагрузки из тока нулевого провода линии I  с ее питающей стороны, что эквивалентно измерению тока нулевого провода линии I  со стороны ее конца. Все последующие операции по определению показателя несимметрии в соответствии с выражениями (1)-(4) в этом случае не подвергаются изменению.
Предлагаемый способ симметрирования фазных токов линии возможно применять как с трехфазной, так и однофазной нагрузками. В обоих случаях имеется по три технически допустимых подключения к питающей линии.
Для трехфазной нагрузки в таком качестве принимают два подключения нагрузки к фазным проводам с тем же порядком чередования фаз, что и у текущего подключения. Порядок чередования фаз текущего подключения устанавливается при первоначальном присоединении нагрузки к питающей линии (или симметрирующего устройства на этом присоединении в соответствии с уже существующим внутренним подключением нагрузки, чувствительной к последовательности чередованию фаз).
Однофазную нагрузку можно рассматривать частным случаем трехфазной нагрузки и поэтому при ненулевом значении ее фазного тока она, как несимметричная, всегда может быть использована для снижения несимметрии фазных токов линии. При этом технически допустимыми являются ее подключения к любому из фазных проводов линии.
Для однофазной нагрузки при вычислении активной мощности нулевого провода возможно использование сигнала тока фазного провода (с учетом его противоположного знака по отношению к току нулевого провода).
В предлагаемом способе в качестве основного параметра для определения оптимального подключения нагрузки, используются активные мощности, соответствующие сигналам каждого из трех фазных напряжений и тока нулевого провода линии и нагрузки, то есть, только одна из двух ортогональных составляющих полной мощности. По этой причине может отсутствовать пропорциональность между численными значениями предлагаемого критерия и другими известными параметрами, характеризующими несимметрию фазных токов, например, коэффициентом несимметрии по току нулевой последовательности, при комплексном характере нагрузок по фазам (различные углы сдвига фаз фазного тока по отношению к одноименному фазному напряжению). Но в решаемой задаче - выборе оптимального подключения нагрузки к фазным проводам линии из трех возможных - к этому критерию не предъявляются метрологические требования, в том числе и по строгой пропорциональности какому-либо из известных показателей. Качественно же он работает в реальных условиях применения и обеспечивает корректный выбор варианта подключения нагрузки с наименьшим уровнем несимметрии. Его работоспособность проверена моделированием режимов трехфазной четырехпроводной линии при симметрии фазных напряжений и характерных для коммунальных и сельскохозяйственных видов нагрузки, преимущественный характер которых активный или комплексный (активно-индуктивный или активно-емкостный) с углами сдвига фаз их токов по отношению напряжению одноименной фазы, как правило, не более ±40° (tgφ>=0,84).
В отличие от рассмотренных выше известных способов симметрирования токов нагрузки трехфазных четырехпроводных линий, в предлагаемом способе выбор оптимального подключения нагрузки производится без учета потребляемых ею фазных токов - активные мощности для каждой фазы определяются с использованием значений сигналов токов нулевых проводов нагрузки со стороны конца линии. Это позволяет уменьшить влияние на результат выбора оптимального подключения нагрузки отклонений параметров режима линии, вызываемых изменением подключения нагрузок как рассматриваемого, так и других присоединений, до уровня, определяемого конечностью предвключенного сопротивления линии до источника питания. Основную его часть образуют сопротивления проводов линии от места присоединения нагрузки до силового питающего трансформатора, а также сопротивление последнего. Изменения фазных напряжений в месте присоединения нагрузки, вызываемые переключением нагрузки, достаточно малы и, как правило, не превышают допустимых отклонений напряжений в сети от номинального, то есть, единиц процентов. На ту же относительную величину в месте присоединения нагрузки при том же токе нулевого провода линии будут также изменяться и значения активных мощностей нулевого провода, используемые для определения оптимального подключения нагрузки. Это позволяет на указанном уровне (единицы процентов от максимального) установить порог (значение) мощности, при котором может разрешаться изменение подключения нагрузки, за счет чего отстроиться от влияния изменений фазных напряжений на значения активных мощностей.
Наличие ненулевого порога чувствительности обязательно для всех известных способов симметрирования трехфазных сетей, использующих переключение нагрузки на другие менее загруженные фазы, и является необходимым для исключения ложных переключений и автоколебаний. В известных способах, использующих изменение подключения нагрузки в месте ее присоединения к линии, приходится отстраиваться от факторов, сильно влияющих на используемые для выбора подключения параметры режима: фазные напряжения или фазные токи. В обоих случаях это влияние находится на уровне, не меньшем влияния переключения наибольшей по току нагрузки. В предлагаемом способе влияние этих факторов на значения активных мощностей также может сказываться через изменение фазных напряжений в месте присоединения нагрузки. Однако обусловленные ими изменения тока нулевого провода концевой части линии не превосходят суммарного значения этих изменений, относительное значение которого не превышает 10-15%. Изменения фазных напряжений в месте присоединения переключаемой однофазной нагрузки, вызванные влиянием изменений нагрузок других линий (фидеров), питающихся от общего трансформатора, или их переключением на другие фазы, сказываются на уровнях активных мощностей фаз еще в меньшей степени - только через сопротивление общего для них трансформатора.
Таким образом, в предлагаемом способе относительные изменения значения используемого основного информационного параметра - активной мощности нулевого провода, при которых может выполняться изменение подключения нагрузки, значительно меньше относительных изменений фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, используемых в известных способах. Это обеспечивает возможность корректного автоматического симметрирования фазных токов линии при уровнях несимметрии 10-15%.
Работа устройства, реализующего предлагаемый способ для трехфазной нагрузки, поясняется по фиг. 1.
Устройство отслеживает соотношение фазных токов трехфазной четырехпроводной линии в месте подключения нагрузки со стороны конца линии и при наличии несимметрии, а также при наличии несимметрии токов нагрузки обеспечивает изменение ее подключения, обеспечивающее наименьшее значение уровня несимметрии фазных токов с питающей стороны линии.
Устройство включается в разрыв цепи присоединения трехфазной нагрузки L к трехфазной четырехпроводной линии, для чего к ее трем фазным Fl, F2 и F3 и нулевому N проводам присоединяются, соответственно, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 входы устройства, а фазные и нулевой входы трехфазной нагрузки L подключаются,
соответственно, к первому 12, второму 13, третьему 14 и четвертому 15 выходам устройства.
С первого выхода первого датчика 3 тока, включенного в цепь нулевого провода N линии со стороны ее конца, и с первого выхода второго датчика 4 тока, включенного в цепь нулевого провода нагрузки, соединяющего четвертый вход 11 и четвертый выход 15 устройства, на четвертый 19 и пятый 20 входы блока 2 управления подаются сигналы, пропорциональные, соответственно току нулевых проводов линии и нагрузки и привязанные к потенциалу нулевого провода N за счет соединения первых выходов первого 3 и второго 4 датчиков тока с четвертым 11 входом устройства. Фазные напряжения линии поступают на первые входы первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений, вторые входы которых находятся под потенциалом нулевого провода N за счет их соединения с четвертым 11 входом устройства. Выходные сигналы первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений пропорциональны, соответственно, напряжениям фазных проводов F1, F2 и F3 относительно нулевого провода N и поступают, соответственно, на первый 16, второй 17 и третий 18 входы блока 2 управления.
ОА
ОВ
ОС
ОА
ОВ
ОС
Блок 2 управления по выходным сигналам первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений и первого 3 датчика тока формирует в соответствии с (1) значения трех активных мощностей, Р Р и Р соответствующих току нулевого провода N линии со стороны ее конца и напряжениям фазных проводов F1, F2 и F3 линии относительно нулевого провода N, а также в соответствии с (2) трех активных мощностей Р Р и Р, соответствующих трем указанным напряжениям и току нулевого провода нагрузки, информация о котором поступает со второго выхода второго датчика 4 тока.
ОА
ОВ
ОС
При наличии несимметрии фазных токов линии, то есть при ненулевом значении основной гармоники тока ее нулевого провода N, значения модулей трех активных мощностей также не равны нулю. В блоке 2 управления из указанных активных мощностей в соответствии с (3) формируется массив из 9 значений активных мощностей, Р Р и Р соответствующих току нулевого провода N линии со стороны ее питания для каждого из трех допустимых подключений нагрузки к линии ABC, CAB и ВСА.
Используя значения массива (3), определяются в соответствии с (4) значения показателя несимметрии Нс для каждого из трех технически допустимых подключений
нагрузки к линии. Показатель несимметрии с наименьшим значением соответствует подключению нагрузки к линии, обеспечивающему минимальный уровень несимметрии фазных токов с ее питающей стороны.
В результате этого анализа на выходной шине 24 блока 2 управления формируется дискретный управляющий сигнал, задающий состояние блока 1 переключения нагрузки, соответствующее подключению нагрузки к линии с минимальным значением показателя несимметрии Нс и минимальному уровню несимметрии фазных токов с ее питающей стороны.
Блок 1 переключения нагрузки, одна из возможных реализаций которого для трехфазной нагрузки показана на фиг. 2, содержит три трехполюсных коммутирующих элемента 25-27, причем замкнутое состояние каждого из них обеспечивает одно из технически допустимых подключений трехфазной нагрузки L к фазным проводам линии. Одинаковая последовательность чередования фаз каждого из трех технически допустимых подключений формируется соединением выходных контактов соответствующего коммутирующего элемента с выходными зажимами 12-14 устройства, к которым подключаются фазные провода трехфазной нагрузки. В зависимости от сигнала на шине 24 управления один из трехполюсных коммутирующих элементов 25-27 блока переключения нагрузки 1 подключается к входными зажимам 8, 9 и 10 устройства, обеспечивая на выходных зажимах 12-14 устройства соответствующее технически допустимое подключение трехфазной нагрузки к фазным напряжениям линии.
Одинаковая последовательность чередования фаз трех технически допустимых подключений может быть также сформирована соответствующим соединением не выходных, а входных контактов коммутирующих элементов 25-27.
Устройство будет корректно работать с однофазной нагрузкой, которая может быть подключена своим нулевым проводом к четвертому выходу 15, а фазным проводом - к любому из выходов 12, 13 и 14.
Возможна и более простая реализация блока переключения нагрузки 1 для однофазной нагрузки, показанная на фиг. 3. Она содержит три управляемых однополюсных коммутирующих элемента 28, 29 и 30, входные зажимы которых образуют первый, второй и третий входы блока переключения нагрузки, подключаемые в устройстве, соответственно, к его первому 8, второму 9 и третьему 10 входам. Входные зажимы коммутирующих элемента 28, 29 и 30 соединены между собой и образуют выход блока 1 переключения нагрузки, который в устройстве соединяется с одним из его выходов, например, 12, к которому на месте применения устройства подключается фазный провод нагрузки. Управляющие входы однополюсных выключателей 28, 29 и 30 образуют шину управления 24 блока 1 переключения нагрузки.
Нулевой провод нагрузки L (трехфазной или однофазной), подключается к четвертому 15 выходу устройства, соединенному с его четвертым 11 входом, который, в свою очередь, подключается к нулевому N проводу линии. Такое подключение нулевого провода нагрузки к нулевому N проводу линии через зажимы устройства в сравнении с возможным непосредственным подключением к проводу линии обеспечивает удобства для присоединения как самого устройства к линии, так и нагрузки к выходным зажимам устройства, и обеспечивает большую безопасность и надежность.
Функции первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений и первого 3 и второго 4 датчиков тока - это масштабное измерительное преобразование первичных физических величин, соответственно, напряжения и тока, в пропорциональные и повторяющие их изменение во времени электрические сигналы с напряжением в качестве информационного параметра.
В функции блока 2 управления входят определение по выходным аналоговым сигналам первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений и первого 3 и второго 4 датчиков тока значений показателя несимметрии фазных токов для трех технически допустимых подключений нагрузки к фазным проводам линии, выполнение вычислительных операций с цифровыми данными и реализация логики управления блоком 1 переключения нагрузки.
Определение значений показателей несимметрии предполагает функциональное и измерительное преобразование сигналов фазных напряжений и токов нулевых проводов линии и нагрузки аналоговых сигналов, результатом которых являются цифровые данные в виде массива значений активной мощности в соответствии с (3).
В соответствии с предлагаемым способом и выражением (1), активная мощность определятся путем усреднения по времени сигнала мгновенной мощности, получаемого перемножением соответствующих сигналов фазного напряжения и тока нулевого провода (линии или нагрузки). Неприемлемыми для предлагаемого способа являются другие методы определения активной мощности переменного тока, например, через действующие значения сигналов напряжения и тока. Сигнал активной мощности может быть сформирован либо в аналоговом виде путем аналогового перемножения указанных сигналов и последующего сглаживания фильтром низких частот, либо в цифровом виде путем аналого-цифрового преобразования мгновенных значений этих сигналов с последующим перемножением полученных цифровых отсчетов и их усреднения на интервале периода частоты сети.
В предлагаемом устройстве по фиг. 1 в блоке 2 управления мгновенные значения сигналов первого 3 и второго 4 датчиков тока и первого 5, второго 6 и третьего 7 датчиков фазных напряжений предварительно преобразуются в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя 21, вычисление соответствующих значений трех активных мощностей производится с помощью блока 23 математической обработки сигналов, который может быть реализован на микропроцессоре.
Большая номенклатура подходящих по характеристикам типов аналого-цифровых преобразователей и микропроцессоров выпускаются как отечественными, так и зарубежными производителями. Могут быть также использованы микропроцессоры со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем. Выходным сигналом блока 23 математической обработки сигналов на выходной шине 24 может быть либо двоичный, либо единичный (позиционный) код, определяющий положение блока 1 переключения нагрузки, который обеспечивает одно из трех технически допустимых подключений нагрузки к фазным проводам линии, соответствующее минимальному уровню несимметрии фазных токов с ее питающей стороны.
Возможно применение для аналого-цифрового преобразования сигналов фазного напряжения и тока нулевого провода принципа дельта-сигма модуляции, широко используемого в счетчиках электрической энергии для определения активной мощности, в соответствии с которым оба аналоговые сигнала преобразуются в цифровые сигналы, представленные синхронным единичным последовательным кодом, что позволяет просто реализовать их произведение (логической операцией И) с последующим усреднением.
Блок 23 управления математической обработки сигналов выполняет также вычислительные и логические операции с цифровыми данными, представленными в виде массива значений активных мощностей (3), а также необходимые операция для формирования управляющего сигнала, подаваемого на блок 1 переключения нагрузки для изменения подключения нагрузки, к которым относятся:
- определение значений показателей несимметрии для каждого из трех технически допустимых подключений нагрузки;
- сглаживание значений показателей несимметрии на интервале времени для защиты от кратковременных изменений нагрузок по фазам линии;
- выбор подключения с наименьшим значением показателя несимметрии;
- формирование команды на изменение подключения с учетом других возможных дополнительных условий и ограничений, оценивающих эффективность возможного переключения нагрузки, например, относительная разница показателей несимметрии текущего подключения и имеющего минимальное значение, абсолютное значение тока нулевого провода линии формирование временной задержки и др.
Устройство производит непрерывное циклическое определение значений показателя несимметрии Нс для каждого технически допустимого подключения нагрузки. Из-за изменения уровней нагрузок в концевой части линии изменяется соотношение фазных токов в месте присоединения устройства, в результате чего меньшая величина тока нагрузки может оказаться у другой фазы линии. При этом изменится и соответствующая ей активная мощность нулевого провода линии, и определяемые блоком управления 2 значения показателей несимметрии Нс как текущего подключения, так для двух других технически допустимых. Если значение показателя несимметрии Нс текущего подключения окажется больше любого из двух других и превысит при этом заданный порог чувствительности (минимальное значение Нс), то с временной задержкой, необходимой для защиты от кратковременных изменений соотношения токов по фазам линии, блок 23 математической обработки формирует на своем выходе сигнал, изменяющий подключение нагрузки L на подключение, имеющее меньшее значение показателя несимметрии Нс.
При этом необходимость большого быстродействия определения значений показателя несимметрии Нс для каждого технически допустимого подключения отсутствует. Для отстройки от кратковременных изменений токов нагрузок, присоединенных к линии, и устойчивой работы симметрирующих устройств потребуется замедление их реакции, например, временным сглаживанием на интервалах до нескольких минут. Это является также необходимым для исключения одновременного «каскадного» переключения нагрузок, участвующих в симметрировании, при изменении уровня потребления удаленной несимметричной нагрузки.
Вычисление активной мощности переменного тока с предварительным цифровым преобразованием мгновенных значений сигналов напряжения и тока в настоящее время широко используется в счетчиках электрической энергии (СЭЭ), схемотехника, программное обеспечение и элементная база этих приборов могут быть использованы при реализации блока управления предлагаемого устройства. Большое распространение получают СЭЭ с передачей результатов измерений по радиоканалу и по силовой сети, устанавливаемые непосредственно на отводах линии электропередачи ЛЭП к абоненту и снабжаемые дополнительным датчиком тока нулевого провода нагрузки (защита от хищений) и управляемым отключающим устройством (например, в счетчиках «РиМ 114» и «РиМ 114», см. http://zao-rim.ru/cat_cnt_rim114). Наряду с однотипными с предлагаемым устройством вычислительными операциями, такие СЭЭ имеют также аналогичные функции многих их узлов (датчики напряжения, датчик тока нулевого провода нагрузки, коммутация нагрузки). Целесообразно совмещение в единой конструкции таких счетчиков и предлагаемого устройства для симметрирования фазных токов питающей линии.
Для измерения тока в транзитном нулевом проводе питающей линии предпочтительно использовать датчики тока, измеряющие ток без разрыва токонесущего провода. Например, это могут быть известные трансформаторы тока с разъемным магнитопроводом, или трансформаторы тока с поворотными сердечниками магнитопровода по патенту РФ №2013119876 «Трансформатор для измерения тока без разрыва цепи (варианты)».
Предлагаемый способ дает возможность по параметрам режима, доступным в месте присоединения нагрузки (однофазной или трехфазной) к трехфазной четырехпроводной линии, из трех допустимых вариантов ее подключения к трем фазным проводам определить обеспечивающий наименьший уровень несимметрии фазных токов линии со стороны ее питающего конца. Это обеспечивает автономность реализующему этот способ устройству, а при оснащении такими симметрирующими устройствами, по меньшей мере, части присоединенных к линии потребителей и равномерном их распределении по ее длине несимметрия фазных токов автоматически будет поддерживаться на минимальном уровне по всей линии. Снижение уровня несимметрии токов, при котором корректно производится выбор оптимального подключения в месте присоединения нагрузки, позволяет обеспечить участие в симметрировании фазных токов однофазных и трехфазных нагрузок средней и малой мощности, за счет чего уменьшить уровень тока нулевого провода по всей длине линии. В результате уменьшаются потери энергии на нагрев проводов линии и питающего трансформатора, повышается ресурс их работы и повышается качество электрической энергии - за счет снижения несимметрии фазных напряжений. Последнее также способствует повышению функциональной надежности (корректности работы) самих симметрирующих устройств.