СПОСОБ СИММЕТРИРОВАНИЯ ФАЗНЫХ ТОКОВ ТРЕХФАЗНОЙ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF 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 линий трехфазной четырехпроводной сети, по меньшей мере, часть нагрузок которой являются однофазными.
Известен способ симметрирования нагрузки трехфазной четырехпроводной линии, предполагающий переключение однофазной нагрузки к наименее нагруженной фазе, которую определяют сравнением аргументов (фаз) основной гармоники напряжения нулевой последовательности (НПП) по отношению к каждому из фазных напряжений в месте присоединения однофазной нагрузки, а переключение однофазной нагрузки производят при превышении ННП порогового значения (реализован в устройстве по а.с. СССР №604080 «Устройство для автоматического переключения однофазных потребителей в низковольтных распределительных сетях», МПК H02J 3/26).
Переключение однофазных нагрузок трехфазной четырехпроводной линии к наименее нагруженной фазе позволяет автоматически уменьшать несимметрию нагрузки линии независимо от используемого способа определения наименее нагруженной фазы.
Достоинство рассматриваемого известного способа - в минимальности средств, используемых для определения наименее нагруженной фазы, поскольку необходимая информация получается по тем же цепям, что используется для подключения однофазной нагрузки к фазным проводам линии.
Недостатком способа является низкая чувствительность, то есть высокий уровень несимметрии фазных токов, при котором достоверно определяется наименее загруженная фаза.
Под уровнем несимметрии здесь и далее понимается относительный параметр, характеризующий разницу фазных токов, например, отношение действующего значения тока нулевого провода и среднего действующего значения фазных токов.
Чувствительность известного способа ограничена необходимостью отстройки от различных факторов, влияющих на используемый при определении наименее загруженной фазы информационный параметр - угол сдвига ННП по отношению к каждому из фазных напряжений в месте подсоединения однофазной нагрузки. К этим факторам относятся:
- переключение однофазной нагрузки на другую фазу, изменяющее параметры ННП в месте подсоединения этой нагрузки. Изменение информационного параметра, используемого при определении наименее нагруженной фазы в результате переключения однофазной нагрузки на другую фазу, 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;
- изменение параметров нагрузок других линий (фидеров), питающихся от общего трансформатора, и их переключение 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 НПП 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 нагрузки трехфазной четырехпроводной сети переключением однофазной нагрузки на наименее нагруженную фазу линии, которую определяют путем сравнения уровней токов фаз со стороны 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 (а.с. СССР №1034119 «Способ подключения однофазной симметрирующей нагрузки», МПК H02J 3/26 и а.с. 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, причем влияние на результат изменений нагрузок других линий (фидеров), питающихся от общего трансформатора, в этом способе значительно ниже, чем у рассмотренного выше. Однако, поскольку один из фазных токов, используемых при определении наименее нагруженной фазы линии, содержит также и ток однофазной нагрузки, такое переключение последней может производиться только при разнице фазных токов, превышающей ток однофазной нагрузки.
Другим недостатком такого способа является сложность реализации, неприемлемая для широкого применения в электрических сетях. Кроме подсоединений к трем фазным и нулевому проводам линии, минимально необходимых для подключения однофазной нагрузки к любому из фазных напряжений, способ, кроме того, предполагает получение информации о токе каждой из трех фаз. Это требует либо врезания в транзитные провода линии с их разрывом, что неприемлемо и по конструктивным, и по эксплуатационным требованиям, либо применения датчиков, измеряющих ток без разрыва цепи. Кроме того, установка датчиков тока на фазных проводах линий при любом их исполнении (неразъемном или разъемном) сопряжена с необходимостью их защиты - как климатической, так 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 нагрузки трехфазной четырехпроводной линии, предполагающий определение наименее нагруженной фазы линии путем измерения фазных напряжений и токов нулевого провода линии и однофазной нагрузки, причем условием переключения однофазной нагрузки является превышение ее тока током тока нулевого провода линии с питающей стороны относительно места подключения к нему нулевого провода однофазной нагрузки «Способ управления переключениями однофазной симметрирующей нагрузки» (а.с. СССР №1257748, МПК H02J 3/26).
Устройство, реализующее этот способ, содержит блок коммутации, первый, второй и третий входы которого являются входами устройства и служат для подключения к соответствующим фазным проводам питающей линии, выход блока коммутации 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 соединения с ним второго входа 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 коммутации, а выход соединен с первым входом блока управления, к второму входу которого подключен выход блока сравнения, а выход соединен с управляющим входом коммутатора (а.с. СССР №1257748, МПК H02J 3/26).
В рассматриваемых известных способе и устройстве наименее нагруженная фаза определяется без учета токов фаз, что освобождает от необходимости использования средств измерения этих токов, затрудняющего его применение на питающих линиях. Однако из-за факторов, указанных выше для способа по а.с. СССР №604080, МПК H02J 3/26, определение наименее нагруженной фазы по фазным напряжениям линии если и может быть произведено, то только при разнице фазных токов, превышающей ток однофазной нагрузки. Это ограничение необходимо из-за наличия в измеряемом токе нулевого провода линии тока однофазной нагрузки, так как измерение производится с питающей стороны линии относительно места подключения нулевого провода однофазной нагрузки.
Другим фактором, ограничивающим чувствительность рассматриваемого способа, являются высшие гармоники в токе нулевого провода линии, уровень которых может быть соизмерим с фазными токами. Высокий уровень тока высших гармоник в нулевом проводе линии не связан с несимметрией токов по фазам и может привести к ложному переключению однофазной нагрузки и, в конечном счете, возникновению автоколебаний. Для исключения возможных ошибок уровень тока, при котором допускается переключение однофазной нагрузки, должен быть дополнительно увеличен с учетом уровня высших гармоник тока в нулевом проводе линии. Этот ток не может быть уменьшен переключением 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.
В изобретении решается задача создания способа симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной с повышенной чувствительностью к уровню несимметрии фазных токов и разработки реализующего его устройства, предполагающих переключение однофазной нагрузки на менее нагруженную фазу.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является повышение чувствительности устройства симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии к уровню несимметрии фазных токов. При этом достигается упрощение реализации и повышение эксплуатационной надежности устройства симметрирования нагрузок трехфазной четырехпроводной линии.
Технический результат достигается тем, что в способе симметрирования фазных токов трехфазной четырехпроводной линии, основанном на переключении, по меньшей мере, части однофазных нагрузок к наименее нагруженной фазе, для каждой из переключаемых однофазных нагрузок в месте ее присоединения к линии определяют значения активной мощности, соответствующие каждому из фазных напряжений и току нулевого провода линии без учета тока однофазной нагрузки, причем в качестве наименее нагруженной принимают фазу линии с наибольшим значением модуля активной мощности, знак которого противоположен знаку активной мощности наиболее нагруженной фазы.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для реализации предлагаемого способа, содержащем блок коммутации, первый, второй, третий и четвертый входы которого являются входами устройства, а первый и второй выходы блока коммутации - выходами устройства, блок определения наименее нагруженной фазы, датчик тока, первый выход которого подключен к четвертому входу устройства, первый, второй и третий датчики фазных напряжений, первые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, а вторые входы соединены с четвертым входом устройства, выходы первого, второго и третьего датчиков фазных напряжений соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока определения наименее нагруженной фазы, выход которого подключен к управляющему входу блока коммутации, выход датчика тока подключен к четвертому входу блока определения наименее нагруженной фазы, выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации.
Предпочтительно выполнить блок определения наименее нагруженной фазы в виде многоканального аналого-цифрового преобразователя и блока математической обработки сигналов, при этом первый, второй, третий и четвертый входы блока определения наименее нагруженной фазы являются соответствующими входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока математической обработки сигналов, выходная шина которого является выходной шиной блока определения наименее нагруженной фазы.
Блок определения наименее нагруженной фазы возможно также выполнить в виде первого, второго и третьего перемножителей и блока математической обработки сигналов, при этом первый, второй и третий входы блока определения наименее нагруженной фазы образуются первыми входами соответствующих перемножителей, вторые входы которых объединены и образуют четвертый вход блока определения наименее нагруженной фазы, выходы первого, второго и третьего перемножителей соединены с соответствующими входами блока математической обработки сигналов, выходная шина которого является выходом блока определения наименее нагруженной фазы.
В качестве датчика тока целесообразно применять разъемный трансформатор тока.
Преимуществом предложенного изобретения является низкий уровень несимметрии фазных токов, при котором корректно осуществляется симметрирование нагрузок трехфазной четырехпроводной линии. Указанное преимущество достигается за счет определения наименее нагруженной фазы по значениям трех активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода, а также за счет того, что используется ток нулевого провода со стороны конца линии. При этом в качестве наименее нагруженной принимается фаза с наибольшим значением модуля активной мощности и знаком, противоположным знаку наиболее загруженной фазы.
Активные мощности, определяемые через произведение фазных напряжений и тока нулевого провода, пропорциональны уровню несимметрии, в то время как действие на их модули указанных выше влияющих факторов относительно невелико и не превышает 10-15%. Это значение ниже, чем в известном способе, использующем параметры напряжения нулевой последовательности, уровень которого составляет единицы процентов от фазных напряжений, что сравнимо с влиянием на их уровень влияющих факторов. Это также ниже, чем у 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 в качестве информационного параметра активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода со стороны конца линии в месте подключения однофазной 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 (выпрямление питающего однофазного напряжения с емкостным сглаживанием) при равномерном ее распределении по фазам дает в нулевом проводе ток, содержащий преимущественно гармоники, кратные 3, причем их уровень может быть сравним и даже превышать уровень фазных токов. Если нелинейная нагрузка несимметрична по фазам линии, то в токе нулевого провода будет представлен весь спектр нечетных гармоник. Поскольку фазные напряжения искажены значительно меньше (коэффициент гармоник редко превышает 5%), а активная мощность, соответствующая составляющей фазного напряжения основной частоты и высшим гармоникам тока, равна нулю, то и относительный уровень влияние высших гармоник тока нулевого провода на значения фазных активных мощностей будет близок к значению коэффициента гармоник. То есть в используемом для переключения однофазной нагрузки информационном параметре - модуле и знаке фазных активных мощностей влияние высших гармоник в токе нулевого провода значительно ниже, чем при использовании в качестве такового признака уровней фазных и нулевого токов, также как и фазных напряжений. Это также способствует повышению чувствительности предлагаемого способа при определении наименее нагруженной фазы.
Важным результатом предложенного изобретения 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 (со стороны конца линии) и фазные напряжения каждой из трех фаз. Если получение сигналов фазных напряжений не представляет технической сложности - подключение ко всем четырем проводам линии в любом случае необходимо для обеспечения возможности переключения нагрузки на другие фазы, то получение информации о токах во всех четырех транзитных проводах линии с помощью соответствующих датчиков тока как сложно реализуемо, так 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 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 устройства. Использование в предлагаемом устройстве только одного датчика тока делает возможной реализацию защиты, например, указанным способом.
Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на Фиг.1. Там же показан способ его подключения к трехфазной четырехпроводной линии для присоединения однофазной нагрузки.
На Фиг.2 показана возможная реализация блока определения наименее нагруженной фазы устройства в предпочтительном варианте.
Устройство по Фиг.1 содержит блок 1 коммутации, блок 2 определения наименее нагруженной фазы, датчик 3 тока, а также первый 4, второй 5 и третий 6 датчики фазных напряжений. Первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 входы устройства являются одновременно входами блока 1 коммутации, первым выходом 11 устройства служит первый выход блока 1 коммутации, второй 12 выход которого объединен с четвертым 10 входом устройства и является его вторым выходом и служит в качестве точки нулевого потенциала устройства. Первые входы первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений соединены соответственно с первым 7, вторым 8 и третьим 9 входами устройства, вторые входы первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений соединены с четвертым 10 входом устройства, а их выходы подключены к первому 13, второму 14 и третьему 15 входами блока 2 определения наименее нагруженной фазы, к четвертому 16 входу которого подключен первый выход датчика 3 тока, второй вход которого соединен с четвертым 10 входом устройства.
Блок 2 определения наименее нагруженной фазы на Фиг.1 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17 и блок 18 математической обработки сигналов, причем первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 входы блока 2 определения наименее нагруженной фазы являются соответствующими входами многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, выход 19 которого соединен с входом блока 18 математической обработки сигналов, выходная шина 20 которого является выходом блока определения наименее нагруженной фазы.
Устройство своими первым 7, вторым 8, третьим 9 и четвертым 10 входами подключается соответственно к фазным F1, F2 и F3 и нулевому N проводам трехфазной четырехпроводной линии, а к его первому 11 и второму 12 выходам присоединяются соответственно фазный и нулевой входы однофазной нагрузки 21. Датчик тока 3 устройства подключается к нулевому N проводу со стороны конца линии относительно места подключения четвертого 10 входа устройства и служит для получения информации о токе нулевого провода линии.
Другая возможная реализация блока 2 определения наименее нагруженной фазы, показанная на Фиг.2, содержит первый 22, второй 23 и третий 24 перемножители сигналов и блок 18 математической обработки, причем первый 13, второй 14 и третий 15 входы блока 2 определения наименее нагруженной фазы образуются соответственно первыми входами первого 22, второго 23 и третьего 24 перемножителей, вторые входы которых объединены и образуют четвертый вход 16 блока определения наименее нагруженной фазы, выходы первого 22, второго 23 и третьего 24 перемножителей соединены с соответствующими входами блока 18 математической обработки сигналов, выходная шина 20 которого является выходом блока 2 определения наименее нагруженной фазы.
Предлагаемый способ работает следующим образом.
Способ предназначен для уменьшения несимметрии трехфазной четырехпроводной сети, в которой, по меньшей мере, часть потребителей являются однофазными.
В соответствии с предлагаемым способом, в месте присоединения однофазной нагрузки к трехфазной четырехпроводной линии со стороны, противоположной ее питающему концу, определяют наименее нагруженную фазу (фазу с наименьшим модулем тока), и переключают на эту фазу однофазную нагрузку, если до этого она была подключена к другой фазе. В результате в месте присоединения однофазной нагрузки с питающего конца линии достигается меньшая разница токов в фазных проводах, чем она могла быть при подключении нагрузки к другой фазе.
Наименее нагруженную фазу (с наименьшим модулем фазного тока) определяют, сравнивая с учетом знака значения модулей трех активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений и току нулевого провода со стороны конца линии в месте подключения однофазной нагрузки, то есть без учета тока нулевого провода однофазной нагрузки.
При этом за наименее нагруженную (с наименьшим модулем фазного тока) принимают фазу, имеющую наибольшее значение модуля активной мощности, знак которой противоположен знаку активной мощности наиболее нагруженной фазы.
Знак активной мощности наиболее нагруженной фазы является неизменным при любой степени несимметрии фазных токов линии, в том числе и при наличии тока нагрузки только в одном фазном проводе. Определение этого параметра не является необходимой операцией при каждом определении наименее нагруженной фазы, поскольку он легко задается и сохраняется конструктивно, например, применением датчиков тока с заранее маркированной полярностью выводов их обмоток
В предлагаемом способе для определения активной мощности каждой фазы вместе с фазным напряжением этой фазы используют ток нулевого провода линии, измеряемый со стороны ее конца, то есть противоположной ее питающему концу относительно места присоединения нулевого провода однофазной нагрузки.
При симметричности фазных напряжений и присущем коммунальным и сельскохозяйственным потребителям характере нагрузок (углов сдвига потребляемого ими тока по отношению напряжению одноименной фазы (cosφ)) знаки (полярности) активных мощностей, определенные указанным выше образом, для наиболее и наименее нагруженных фаз будут противоположны друг другу. Это не зависит от того, с каким знаком (полярностью) по отношению к фазным напряжениям используется при определении активных мощностей ток нулевого провода, важно только, чтобы с одним знаком для всех трех фазных напряжений. При этом активная мощность третьей фазы, в зависимости от уровня и характера ее нагрузки, может либо совпадать, либо быть противоположной по знаку активной мощности наименее нагруженной фазы. Сумма активных мощностей трех фаз при указанных выше условиях близка к нулю.
Предлагаемый способ обеспечивает корректное определение наименее нагруженной фазы на линиях напряжением 0,4 кВ с бытовыми и сельскохозяйственными потребителями, преимущественный характер нагрузки которых активный или комплексный (активно-индуктивный или активно-емкостный) с углами сдвига фаз их токов по отношению напряжению одноименной фазы не более ±40 градусов.
Для всех однофазных нагрузок, выбранных для симметрирования на одной питающей линии, при определении активных мощностей, соответствующих каждому из трех фазных напряжений, целесообразно использовать одну и ту же полярность (фазировку) сигнала, соответствующего току нулевого провода. Это обеспечивает для них одинаковый знак активной мощности наименее нагруженной фазы. Соблюдение одинаковой фазировки тока нулевого провода у всех присоединений с переключаемой однофазной нагрузкой легко обеспечивается аппаратно, например, маркировкой цепей датчиков тока, что делает определение наиболее нагруженной фазы необязательным.
В отличие от рассмотренных выше известных способов симметрирования токов нагрузки трехфазных четырехпроводных линий, в предлагаемом способе определение наименее нагруженной фазы в месте присоединения однофазной нагрузки к линии производится без учета тока последней - активные мощности для каждой фазы определяются с использованием тока нулевого провода, создаваемого нагрузками концевой стороны линии, то есть противоположной ее питающему концу относительно места присоединения нулевого провода однофазной нагрузки. Это позволяет уменьшить влияние на результат определения наименее нагруженной фазы изменений в сети, вызываемых переключением на другую фазу однофазной нагрузки рассматриваемого присоединения, до уровня, определяемого конечностью предвключенного сопротивления линии до источника питания. Основную его часть образуют сопротивление проводов линии от места присоединения однофазной нагрузки до силового питающего трансформатора, а также сопротивление последнего. Изменения фазных напряжений в месте присоединения однофазной нагрузки, вызываемые ее переключением на другую фазу, 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 однофазной нагрузки при том же токе нулевого провода будут также изменяться и значения активных мощностей, используемые для определения наименее нагруженной фазы. Это позволяет на указанном уровне (единицы процентов от максимального) установить порог (значение) мощности, при котором разрешается переключение однофазной нагрузки, за счет чего отстроиться от влияния изменений фазных напряжений на значения активных мощностей.
Наличие порога чувствительности обязательно для всех известных способов симметрирования трехфазных сетей, использующих переключение нагрузки однофазной нагрузки, является необходимым для исключения ложных переключений и автоколебаний. В известных способах, определяющих наименее нагруженную фазу в месте присоединения однофазной нагрузки, приходится отстраиваться от факторов, сильно влияющих на используемый для этого параметр: фазные напряжения или фазные токи. В обоих случаях это влияние находится на уровне, не меньшем влияния переключения наибольшей по току однофазной нагрузки. В предлагаемом способе влияние этих факторов на значения активных мощностей также может сказываться через изменение фазных напряжений в месте присоединения однофазной нагрузки и обусловленных ими изменений тока нулевого провода концевой части линии и не превышает суммарного значения этих изменений, относительное значение которого не превышает 10-15 процентов.
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 информационного параметра - модуля активной мощности, при которых может выполняться переключение однофазной нагрузки на наименее нагруженную фазу, значительно меньше относительных изменений фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности, используемых в известных способах. Это обеспечивает возможность автоматического симметрирования при уровнях несимметрии 10-15%.
Снижение уровня несимметрии токов со стороны конца линии, при котором корректно определяется наименее нагруженная фаза в месте присоединения однофазной нагрузки, позволяет обеспечить переключение большого количества маломощных однофазных нагрузок на линии и достичь уменьшения уровня несимметрии и тока нулевого провода на всей длине линии. В результате снижаются потери энергии на нагрев проводов линии и в питающем трансформаторе, снижается несимметрия фазных напряжений и повышается качество электрической энергии.
Работа устройства, реализующего предлагаемый способ, поясняется по Фиг.1.
Устройство отслеживает соотношение фазных токов трехфазной четырехпроводной линии в месте подключения к одной из фаз однофазной нагрузки и обеспечивает ее переключение на фазу с наименьшим значением модуля фазного тока, если она до этого была подключена к другой фазе.
Устройство включается в разрыв цепи присоединения однофазной нагрузки 21 к трехфазной четырехпроводной линии, для чего к ее трем фазным F1, F2 и F3 и нулевому N проводам присоединяются соответственно первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 входы устройства, а фазный и нулевой входы однофазной нагрузки 21 подключаются соответственно к первому 11 и второму 12 выходам устройства. При этом фазные напряжения поступают на первые входы первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений, вторые входы которых находятся под потенциалом нулевого провода N за счет их соединения с четвертым 10 входом устройства. Выходные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений пропорциональны соответственно напряжениям фазных проводов F1, F2 и F3 относительно нулевого провода N и поступают соответственно на первый 13, второй 14 и третий 15 входы блока 2 определения наименее нагруженной фазы. На его четвертый 16 вход подается сигнал с первого выхода датчика 3 тока, пропорциональный току нулевого провода N линии со стороны ее конца и также привязанный к потенциалу нулевого провода N за счет соединения второго выхода датчика 3 тока с четвертым 10 входом устройства.
Блок 2 определения наименее нагруженной фазы по выходным сигналам первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений и датчика 3 тока формирует значения трех активных мощностей, соответствующих току нулевого провода N линии и напряжениям фазных проводов F1, F2 и F3 линии относительно нулевого провода N. При наличии несимметрии нагрузок по фазам линии, то есть при ненулевом значении основной гармоники тока нулевого провода N, значения модулей трех активных мощностей также не равны нулю и при этом имеют разные знаки. В блоке 2 определения наименее нагруженной фазы из трех указанных активных мощностей выявляется наибольшая по модулю и имеющая знак, противоположный знаку мощности наиболее нагруженной фазы. Соответствующая этой активной мощности фаза определяется как наименее нагруженная, то есть имеющая наименьшее значение модуля тока из токов, протекающих по фазным проводам F1, F2 и F3 линии со стороны ее конца. В результате этого анализа на выходной шине 20 блока 2 формируется дискретный сигнал, указывающий наименее нагруженную фазу. Блок 1 коммутации содержит три коммутирующих элемента, с помощью которых его первый 11 выход в зависимости от сигнала на шине 20 управления блока подключается к одному из входов 7, 8 и 9 устройства. По сигналу, поступающему по выходной шине 20 блока 2 определения наименее нагруженной фазы, фазный провод однофазной нагрузки 21 подключается к фазному проводу линии с наименьшим значением модуля тока.
Нулевой провод однофазной нагрузки 21 подключается к второму 12 выходу устройства, соединенному с его четвертым 10 входом, который, в свою очередь, подключается к нулевому N проводу линии. Такое «транзитное» подключение нулевого провода однофазной нагрузки 21 нулевому N проводу линии в сравнении с возможным непосредственным подключением к проводу линии более удобно для присоединения устройства и однофазной нагрузки к линии обеспечивает большую безопасность и надежность.
Функциями блока 2 определения наименее нагруженной фазы являются определение значений трех активных мощностей, соответствующих выходным сигналам первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений и датчика 3 тока, и анализ полученных значений мощностей с целью определения, какая из них, имеющая знак, противоположный знаку наиболее нагруженной фазы, имеет наибольшее значение модуля. Указанные функции могут быть реализованы на различной элементной базе - от аналоговой с использованием пороговой логики до сигнальных цифровых процессоров, преобразующих входные аналоговые сигналы в цифровую форму и реализующие последующие операции в цифровых виде по соответствующей программе.
На Фиг.1 в блоке 2 определения наименее нагруженной фазы мгновенные значения сигналов первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков фазных напряжений и датчика 3 тока предварительно преобразуются в цифровую форму с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, вычисление соответствующих значений трех активных мощностей производится с помощью блока 18 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 18 математической обработки сигналов на выходной шине 20 может быть либо двоичный, либо единичный (позиционный) код, определяющий положение переключателя 1, который обеспечивает присоединение фазного провода однофазной нагрузки к фазному проводу линии с наименьшим модулем тока.
Работа блока 2 определения наименее нагруженной фазы при его реализации в соответствии с Фиг.2 осуществляется следующим образом. Первый 22, второй 23 и третий 24 перемножители формируют сигналы, соответствующие мгновенной мощности каждой из трех фаз линии как произведение мгновенных значений фазных напряжений линии, подведенных к ним с помощью первого 4, второго 5 и третьего 6 датчиков напряжений, и тока нулевого провода линии в виде выходного сигнала датчика 3 тока. Блок 18 математической обработки из каждого из трех сигналов мгновенной мощности, поступающих на его входы с выходов первого 22, второго 23 и третьего 24 перемножителей, вычисляет три значения активных мощностей, соответствующих напряжению каждой фазы и току нулевого провода. Активная мощность одной из фаз, имеющая знак, противоположный знаку наиболее нагруженной фазы, определяется как наименее нагруженная, а если мощностей с таким знаком две, то наименее нагруженной определяется набольшая из них по модулю. На своей выходной шине 20 блок 18 математической обработки формирует дискретный сигнал, соответствующий наименее нагруженной фазе.
Первый 22, второй 23 и третий 24 перемножители могут быть аналоговыми, и тогда блок 18 математической обработки должен иметь встроенный многоканальный аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговые сигналы мгновенных мощностей в дискретные цифровые последовательности для дальнейшего определения в блоке 18 математической обработки значений активных мощностей и определения наименее нагруженной фазы. Первый 22, второй 23 и третий 24 перемножители могут быть реализованы на принципе дельта-сигма модуляции, согласно которому сигнал мгновенного произведения двух аналоговых сигналов (мгновенной мощности) формируется в виде последовательного единичного кода. Этот принцип широко используется в счетчиках электрической энергии для определения значении активной мощности. В этом случае блок 18 математической обработки может быть выполнен на микропроцессоре без аналого-цифрового преобразователя.
Если при изменении нагрузок концевой части линии меньшая величина нагрузки окажется у другой фазы линии, то соответствующая ей активная мощность приобретает наибольшее значение модуля из мощностей со знаком, обратным знаку наиболее нагруженной фазы. Если значение модуля превысит заданный порог активной мощности, то с временной задержкой, необходимой для защиты от кратковременных изменений соотношения токов по фазам линии, блок 18 математической обработки формирует на своем выходе сигнал, обеспечивающий переключение однофазной нагрузки 17 на выявленную наименее нагруженную фазу.
Для измерения тока нулевого провода питающей линии целесообразно использовать датчик, измеряющий ток без разрыва этого провода. Например, это могут быть известные трансформаторы тока с разъемным магнитопроводом или трансформаторы тока с поворотными сердечниками магнитопровода по заявке РФ №2013119876 на изобретение «Трансформатор для измерения тока без разрыва цепи (варианты)».