УСТРОЙСТВО НЕЙТРАЛИЗАЦИИ УРАВНИТЕЛЬНОГО ТОКА В НУЛЕВОЙ ШИНЕ ТРЁХФАЗНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
DEVICE FOR NEUTRALIZING EQUALIZING CURRENT IN NEUTRAL BUS OF THREE-PHASE POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трехфазных линиях электропередачи при различных пофазных нагрузках с целью энергосбережения.
Известны средства, понижающие так называемый перекос фазных напряжений на основе управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа (УШРТ) и симметрирующих трансформаторов (СТ), рассмотренных в работах [1-7].
Недостатком известных устройств является не устранение с их помощью уравнительного тока в нулевой шине четырехпроводной линии электропередачи, вызванного от подключения к фазам неодинаковых нагрузок. При этом в нулевой шине протекает уравнительный ток, что увеличивает потери электроэнергии при ее транспортировке.
Указанный недостаток устраняется в заявляемом устройстве.
Целью изобретения является снижение потерь электроэнергии при ее транспортировке по четырехпроводной линии.
Поставленная цель достигается в заявляемом устройстве нейтрализации уравнительного тока в нулевой шине трехфазной линии электропередачи, связанной с трансформаторной подстанцией с одной стороны и потребителем с варьируемыми пофазными нагрузками, включаемыми по схеме звезды, с другой стороны, отличающемся тем, что в нем использован однофазный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками, начала которых подключены к нулевым выводам вторичных обмоток фазных напряжений силового трехфазного трансформатора подстанции, а их концы соединены между собой в узел, а вторичная обмотка этого трансформатора подключена встречно-последовательно между указанным узлом и нулевой шиной линии, при этом число витков этой обмотки выбрано так, что индуцируемое в ней напряжение, пропорциональное уравнительному току как геометрической сумме фазных токов, равно и направлено встречно напряжению, которое падало бы в сопротивлении нулевой шины от протекания уравнительного тока в ней в отсутствие данного устройства.
НШ
УР
НШ
УР
НШ
УР
Достижение поставленной цели в заявляемом устройстве объясняется возбуждением во вторичной обмотке однофазного трансформатора напряжения, вектор которого пропорционален по модулю вектору суммарного тока всех трех фаз и совпадает по фазе с фазой уравнительного тока, и это напряжение выбрано равным напряжению r I, где r - сопротивление нулевой шины в линии, а I - величина уравнительного тока в отсутствие заявляемого устройства, а это напряжение является встречно направленным по отношению к напряжению r I при соответствующем подключении вторичной обмотки однофазного трансформатора между узлом и нулевой шиной линии электропередачи.
Заявляемое устройство понятно из представленной схемы его подключения между силовым трехфазным трансформатором подстанции (ячейки ЗРУ) и линией электропередачи. Эта схема представлена на рис. 1 и включает следующие элементы:
1 - силовой трехфазный трансформатор,
2 - однофазный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной суммирующей вторичной обмоткой,
3 - трехфазный автомат-выключатель,
4 - регулируемые фазные нагрузки потребителя.
УР
На рис. 2 показано формирование уравнительного тока I в нулевой шине линии электропередачи. Тонкими стрелками показаны фазные токи при различных пофазных нагрузках 4, толстой стрелкой - вектор уравнительного тока.
Рассмотрим схему заявляемого устройства и его работу.
НШ
УР
НШ
УР
НШ
УР
УР
НШ
Первичная обмотка силового трехфазного трансформатора 1 подключена по схеме звезды к трехпроводной высоковольтной линии электропередачи ВЛ-10 кВ. Фазные концы трех вторичных обмоток через трехфазный автомат-выключатель 3 соединены с фазными проводниками линии электропередачи ВЛ-0,4 кВ. Нулевые выводы трех вторичных обмоток силового трансформатора 1 подключены соответственно к трем началам трех одинаковых первичных обмоток однофазного трансформатора 2, концы которых соединены вместе в узел. Вторичная обмотка однофазного трансформатора 2 подключена своим концом к указанному узлу, а ее начало - к нулевой шине четырехпроводной линии электропередачи ВЛ-0,4 кВ. Такое включение вторичной обмотки однофазного трансформатора 2 приводит к нейтрализации (в пределе к обнулению) уравнительного тока в нулевой шине линии электропередачи, если на вторичной обмотке формируется напряжение, равное r I, причем значение уравнительного тока является результатом геометрического сложения векторов фазных токов, как это показано на рис. 2. На вторичной обмотке однофазного (суммирующего) трансформатора 2 индуцируемое напряжение находится в фазе с фазой уравнительного тока, его величина должна быть выбрана равной величине r I, что достигается подбором числа витков во вторичной обмотке трансформатора 2. Поскольку напряжение r I - суть произведение произвольной переменной I и некоторой известной константы r, то ясно, что подбор числа витков вторичной обмотки производится с учетом только этой константы и не зависит от величины уравнительного тока, так как возбуждаемое во вторичной обмотке напряжение прямо пропорционально величине уравнительного тока.
1
2
3
1
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
1
2
3
2
3
1
УР
1
2
3
2
3
УР
1
2
3
2
3
1
2
3
2
3
1
2
3
УР
НШ
УР
2
2
1/2
2
2
2
2
2
Величина уравнительного тока определяется однозначно из построения геометрической суммы векторов фазных токов I, I и I, в общем случае не равных между собой и с начальными фазами, отличающимися друг от друга на 120°. Пусть вектор I совпадает с осью ординат декартовой системы координат. Тогда сложение векторов I и I, как видно на рис. 2, задает промежуточный вектор I* (отмечен пунктирной стрелкой), модуль которого находится из выражения I*=[0,75(I-I)+0,25(I+I)]. Аргумент этого вектора, то есть начальная фаза тока I*, находится из выражения ϕ*=arctg [1,732 (I-I) / / (I+I)]. Следовательно, угол между векторами I и I*, как нетрудно понять, равен π - ϕ*. Проекция вектора I* на ось ординат равна - 0,5 (I+I), а на ось абсцисс 0,866 (I-I), тогда сложение векторов I и I* дает для модуля искомого вектора I следующие проекции: на ось ординат I - 0,5(I+I) и на ось абсцисс 0.866(I - I), следовательно, модуль вектора уравнительного тока находится из выражения I={[I-0,5(I+I)]+0,75(I--I)}=[I-0,25(I+I)-0,5 I I]. Справедливость этого выражения легко доказывается подстановкой I=I=I, при которой получаем I=0, как при симметричных пофазовых нагрузках у потребителя. Значение начальной фазы получаемого уравнительного тока для рассматриваемого устройства не имеет значения (эта фаза может находиться в пределах от 0 до 2π), поскольку эта же фаза сохраняется и в напряжении r I, индуцируемом во вторичной обмотке однофазного трансформатора 2.
НШ
НШ
Подбор числа витков во вторичной обмотке трансформатора 2 требует предварительного измерения сопротивления r нулевой шины линии электропередачи, что просто выполняется для конкретной линии. Таким образом, для разных линий электропередачи потребуется разное количество витков вторичной обмотки трансформатора 2. В целях унификации устройства применительно к разным по сопротивлению r линиям следует выполнить вторичную обмотку этого трансформатора либо многоотводной с переключателем, либо в форме ЛАТР, а с плавной регулировкой напряжения от вторичной обмотки. Эта регулировка делается один раз применительно к конкретной линии электропередачи.
НШ
УР
Пример. Пусть фазные токи равны 100, 30 и 50 А. Тогда уравнительный ток будет равен 91,65 А, что при сопротивлении нулевой шины в 0,5 Ом создаст дополнительную потерю энергии в нулевой шине электропередачи мощностью 4,2 кВт при r I=45,8 В без использования заявляемого устройства. При этом во вторичной обмотке однофазного трансформатора 2 будет вырабатываться напряжение 45,8 В. При общей потребляемой мощности в 39,6 кВт потери в фазных проводниках линии с сопротивлениями по 0,5 Ом каждый составят 16,2 кВт, то есть к.п.д. энергопередачи будет 71% с применением данного устройства и только 66% без его применения. Здесь напряжения в фазных нагрузках потребителя полагалось стабильным и равным 220 В.
Применение заявляемого устройства нейтрализации уравнительного тока позволяет существенно снизить потери электрической энергии при ее транспортировке на значительные расстояния и найдет широкое распространение в интеллектуальной электроэнергетике будущего.
Литература
1. Василенко В.Д. Симметрирующий трансформатор, Патент РФ №2521864, опубл. в бюлл. от 10.07.14.
2. Василенко В.Д., Евдокимов В.В. Трехфазное симметрирующее устройство, Патент РФ №2314620, опубл. в бюлл. от 04.01.2008.
3. Василенко В.Д. Трехфазное симметрирующее устройство, Патент РФ №2453965, опубл. в бюлл. от 20.06.2012.
4. Александров Г.Н. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа, Труды ЛПИ им. М.И. Калинина, Л., 1990.
5. Александров Г.Н., Лунин В.П. Управляемые реакторы, изд. 3-е Центра подготовки кадров энергетики, СП.
6. Мологин Д.С., Чуприков B.C. Реализация пилотного проекта CSRT в энергосистеме «Norte de Angola», «Энергоэксперт», №1, 2010.
7. Демин А.И., Татаренко А.В., Чуприков B.C. Применение УШРТ 220 кВ 60 Мквар для нормализации режимов работы энергосистемы «Norte de Angola», Материалы VI Международной н/т конференции «Энергосбережение в промышленности», М., 17-18.03.2010.