УСТРОЙСТВО ВЫРАВНИВАНИЯ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к устройствам для уменьшения асимметрии в трехфазных распределительных электрических сетях. Устройство выравнивания нагрузки может быть использовано в электроэнергетике, промышленности и других отраслях экономики или в социальной сфере, в которых используются 1- или 3-фазные электроприемники, подключаемые к трехфазной электрической сети. Рассматриваемое устройство предназначено для выравнивания фазных нагрузок трехфазной линии электропередачи, имеющей 2 или более ответвления в узловой точке - 3-фазные отходящие линии, а также 1-фазные отходящие линии за счет перераспределения фазных нагрузок одной из 3-фазных отходящих линий. Выравнивание фазных нагрузок позволяет снизить коэффициенты несимметрии напряжения трехфазной линии электропередачи по обратной и нулевой последовательностям.
Несимметричные токи трехфазной линии электропередачи вызывают несимметрию напряжений в удаленных от источника точках общего присоединения нагрузки по причине различия падений напряжений на полных сопротивлениях фазных проводников линии электропередачи. Отклонения отдельных фазных напряжений в часы максимума нагрузок могут превышать предельно допустимые стандартом [1] значения. Симметричные составляющие нулевой и обратной последовательностей несимметричной трехфазной системы напряжений приводит к дополнительным электрическим потерям в линии и отрицательно влияют на работу однофазных и трехфазных потребителей: сокращается срок службы однофазных потребителей, возникают дополнительные потери в электросетевом оборудовании, снижается мощность и КПД трехфазных устройств электропривода.
Аналогом полезной модели является «Устройство равномерного распределения электрической нагрузки по n-фазной сети распределения электроэнергии» [2]. Принцип действия данного устройства заключается в переключении каждой из распределительных цепей на входящую фазу для получения равномерной нагрузки по всем трем фазам путем физического переключения каждой из распределительных цепей. Для такого переключения требуется прерывать подачу напряжения, что вызывает перебои в поставке электроэнергии потребителям. В данном способе и устройстве отсутствует контроль последовательности чередования фаз, в связи с чем изобретение невозможно использовать для ряда многофазных электроприемников, например, многофазных электрических двигателей переменного тока. Кроме того, устройство не выравнивает нагрузку питающей электрической сети в целом, поскольку симметрирование выполняется только для непосредственно подключенной к устройству нагрузки.
Другим аналогом полезной модели является «Устройство симметрирования нагрузки» [3]. В данном устройстве контроллер на основании сигналов с датчиков тока и датчиков напряжения вычисляет способ подключения отходящих линий к фазам электрической сети, направленный на выравнивание нагрузки электрической сети в целом, заключающийся в минимизации разницы действующих значений фазных напряжений для каждой пары фаз электрической сети, и подает управляющие воздействия на силовые ключи, реализующие такой способ подключения. При этом под термином «нагрузка» в описании полезной модели понимаются токи. Силовая часть устройства содержит девять 1-полюсных коммутационных элементов, позволяющих соединить любую фазу трехфазной электрической сети с любой фазой 3-фазной отходящей линии, что является теоретически минимальным количеством. Однако с целью повышения надежности устройства при его практическом использовании целесообразно использовать меньшее количество промышленно выпускаемых 2- и 3-полюсных коммутационных элементов. Порядок работы устройства, при котором с целью минимизации линейных напряжений выравниваются фазные токи электрической сети, также представляется неоптимальным. При сохранении режима работы потребителей выравнивание токов может привести к изменению фазных напряжений в узле электрической сети. Изменение фазных напряжений влечет соответствующее изменение фазных токов, что может привести к необходимости возврата к прежнему соединению фаз 3-фазной отходящей линии с трехфазной электрической сетью до выравнивания нагрузки. Таким образом, могут возникнуть циклические срабатывания устройства.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является заявка на изобретение «Способ симметрирования многофазной электрической сети и устройство для его реализации» [4]. Действие устройства направлено на выравнивание фазных проводимостей многофазной электрической сети, что исключает циклические срабатывания, являющиеся недостатком устройства, описанного в работе [3]. Силовая часть устройства содержит п 1-полюсных коммутационных элементов, позволяющих соединить любую фазу и-фазной электрической сети с любой фазой n-фазной отходящей линии. В данной конструкции количество 1-полюсных коммутационных элементов является теоретически минимальным. Однако в трехфазном исполнении устройства с целью повышения его надежности при практическом применении целесообразно использовать меньшее количество промышленно выпускаемых 2- и 3-полюсных коммутационных элементов.
Предлагаемое устройство лишено недостатков аналогов: не подвержено возникновению циклических срабатываний, имеет повышенную надежность за счет применения меньшего количества коммутационных элементов - два 2-полюсньгх и три 3-полюсных.
Место монтажа устройства выравнивания нагрузки.
Возможные положения устройства выравнивания нагрузки УВН относительно узла трехфазной электрической сети демонстрируются на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1. изображен фрагмент однолинейной электрической схемы распределительного устройства 0,4 кВ. Устройство выравнивания нагрузки УВН монтируется в данном распределительном устройстве 0,4 кВ на одной из 3-фазных четырехпроводных отходящих линий после коммутационного аппарата QF. Устройство выравнивания нагрузки УВН получает информационные сигналы от датчиков тока трехфазной электрической сети ДТэс, которые входят в состав распределительного устройства 0,4 кВ, но не являются конструктивными элементами устройства выравнивания нагрузки УВН. Другие 1- и 3-фазные отходящие линии подключены к распределительному устройству 0,4 кВ через коммутационные аппараты QF1-QFn.
Возможное место монтажа устройства выравнивания нагрузки УВН показано на фиг. 2, где изображен узел трехфазной четырехпроводной линии электропередачи, в которой соединяются несколько 1-й 3-фазных отходящих линий. Устройство выравнивания нагрузки УВН монтируется на одной из 3-фазных четырехпроводных отходящих линий, отходящих от узла трехфазной четырехпроводной линии электропередачи. Устройство выравнивания нагрузки УВН получает информационные сигналы от датчиков тока трехфазной электрической сети ДТэс, которые располагаются на трехфазной четырехпроводной линии электропередачи со стороны источника и не являются конструктивными элементами устройства выравнивания нагрузки УВН.
Конструкция устройства выравнивания нагрузки.
Устройство выравнивания трехфазной нагрузки УВН, изображенное на фиг. 3, содержит следующие конструктивные элементы, находящиеся в функционально-конструктивном единстве: три датчика тока ДТ фаз 3-фазной отходящей линии УВН; четыре датчика напряжения ДН фаз электрической сети и нейтрального провода; контроллер К; блок изменения чередования фаз 1, содержащий два 2-полюсных коммутационных элемента 1.1 и 1.2; блок круговых перестановок фаз 2, содержащий три 3-полюсных коммутационных элемента 2.1, 2.2 и 2.3; интерфейс пользователя И; клеммы U1, VI, W1, N1 со стороны источника; клеммы U2, V2, W2, N2 со стороны нагрузки.
Устройство выравнивания нагрузки УВН выполнено с возможностью присоединения к трехфазной четырехпроводной электрической сети, а также с возможностью присоединения к 3-фазной четырехпроводной отходящей линии. Трехфазная четырехпроводная электрическая сеть, 3-фазная четырехпроводная отходящая линия УВН, электрическая нагрузка, а также другие 1- и 3-фазные отходящие линии не являются конструктивными элементами устройства выравнивания нагрузки УВН.
Датчики тока ДТ формируют сигналы, пропорциональные соответствующим фазным токам 3-фазной отходящей линии УВН. Датчики напряжения ДН формируют сигналы, пропорциональные фазным напряжениям электрической сети относительно нейтрального провода.
Клеммы U1, V1, W1, N1 расположены со стороны источника и предназначены для подключения устройства выравнивания нагрузки УВН к узловой точке трехфазной электрической сети. Клеммы Ul, V1, W1, N1 соединяются с датчиками датчики тока ДТ и датчиками напряжения ДН, которые в свою очередь соединяются со входом блока изменения чередования фаз 1. Выход блока чередования фаз 1 соединяется со входом блока круговых перестановок 2. Выход блока круговых перестановок 2 соединяется с клеммами U2, V2, W2, N2, расположенными со стороны нагрузки и предназначеными для подключения 3-фазной отходящей линии УВН с нагрузкой.
Блок изменения чередования фаз 1 посредствам двух 2-полюсных коммутационных элементов 1.1 и 1.2 и блок круговых перестановок фаз 2 посредствам трех 3-полюсньгх коммутационных элемента 2.1, 2.2 и 2.3 выполняет коммутации между фазами электрической сети и фазами отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН в зависимости от сигналов управления, формируемых контроллером К. При этом блок изменения чередования фаз 1 предназначен для выбора прямого или обратного чередования фаз, а блок круговых перестановок фаз 2 предназначен для выбора одного из трех вариантов круговых перестановок фаз. На фиг. 4. показана схема одного 2-полюсного коммутационного элемента, на фиг. 5 - 3-полюсного коммутационного элемента. Коммутационный элемент по сигналам от контроллера К замыкает или размыкает одновременно все свои контакты. На фиг. 3 блок изменения чередования фаз 1 последовательно соединяется с блоком круговой перестановки фаз 2; данная последовательность может быть изменена, при этом порядок работы устройства остается без изменений.
Контроллер К принимает и обрабатывает сигналы от датчиков токов ДТ, датчиков токов датчиков тока трехфазной электрической сети ДТэс, датчиков напряжений ДН фаз электрической сети и нейтрального провода и формирует сигналы управления 2-полюсными коммутационными элементами 1.1 и 1.2 блока изменения чередования фаз 1, 3-полюсными коммутационными элементами 2.1, 2.2 и 2.3 блока круговых перестановок фаз 2.
Через интерфейс пользователя И осуществляется выбор режима работы контроллера и вывод информации о состоянии устройства выравнивания нагрузки УВН.
Порядок работы устройства выравнивания нагрузки УВН.
Контроллер К принимает сигналы от датчиков токов ДТ, датчиков токов датчиков тока трехфазной электрической сети ДТэс, датчиков напряжений ДН фаз электрической сети и нейтрального провода.
Далее контроллер К вычисляет действующие значения тока в каждой фазе трехфазной электрической сети и в каждой фазе отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН, действующие значения фазных напряжений между каждой фазой трехфазной электрической сети и нейтральным проводом.
s1
s2
s3
Контроллер К вычисляет значения проводимостей каждой фазы трехфазной электрической сети G, G, и G по формуле
si
si
i
где G - проводимость i-ой фазы электрической сети; I - действующее значение тока в i-ой фазе электрической сети; U - действующее значение напряжения между i-ой фазой электрической сети и нейтральным проводом; i=1, 2, 3 - номер фазы трехфазной электрической сети.
l1
l2
l3
Контроллер К вычисляет значения проводимостей каждой фазы отходящей линии устройства выравнивания нагрузки G, G и G по формуле
li
li
t
где G - проводимость i-ой фазы отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН; I - ток в i-ой фазе отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН; U - напряжение между i-ой фазой электрической сети и нейтральным проводом.
L
l2
L3
Контроллер К вычисляет значения проводимостей каждой из 3 фаз других отходящих линий Gu G и G по формуле
Li
si
li
где G - проводимость i-ой фазы других 1- или 3-фазных отходящих линий; G - проводимость i-ой фазы трехфазной электрической сети; G - проводимость i-ой фазы отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН, подключенной к i-ой фазе электрической сети.
li
Затем контроллером К выполняются следующие операции. Фазы отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН сортируются по убыванию их проводимостей G, затем нумеруются последовательно, начиная от фазы с наибольшей проводимостью к фазе с наименьшей проводимостью. Фазы трехфазной электрической сети сортируются по возрастанию проводимостей других 1- или 3-фазных отходящих линий Gu, затем нумеруются последовательно, начиная от фазы электрической сети с наименьшей проводимостью других 1- или 3-фазных отходящих линий к фазе электрической сети с наибольшей проводимостью других 1- или 3-фазных отходящих линий.
Контроллер К подает управляющие сигналы блоку изменения чередования фаз 1 и блоку круговой перестановки фаз 2, которые выполняют соединения фаз трехфазной электрической сети и фаз отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН, имеющих одинаковые номера.
В таблице Б.1 приведено положение коммутационных элементов, входящих в состав блока изменения чередования фаз 1 и блока круговой перестановки фаз 2 для выполнения заданного присоединения соединения фаз трехфазной электрической сети и фаз отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН.
Li
В результате фазы 3-фазной отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН с наименьшими проводимостями Gn подключаются соответственно к фазам трехфазной электрической сети, в которых проводимости других 1- и 3-фазных отходящих линий Gнаибольшие. Проводимости всех фаз трехфазной электрической сети оказываются максимально близкими друг к другу по величине. Таким образом обеспечивается выравнивание нагрузки трехфазной электрической сети.
В составе нагрузки, подключенной к трехфазной отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН, могут содержаться электроприемники, для работы которых необходимо соблюдать неизменный порядок чередования фаз, например, асинхронные или синхронные электрические двигатели. В этом случае существует только 3 допустимых комбинации присоединения фаз трехфазной электрической сети к фазам трехфазной отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН, получаемые круговой перестановкой фаз трехфазной отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН относительно трехфазной электрической сети, без изменения порядка чередования фаз. Оптимальной комбинацией присоединения фаз трехфазной отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН к трехфазной электрической сети следует считать такую, при которой сумма модулей разности проводимостей i-ой фазы отходящей линии устройства выравнивания нагрузки УВН и i-ой фазы других отходящих линий  максимальна при условии сохранения исходного порядка чередования фаз. Реализация указанной комбинаций присоединения фаз электрической сети к фазам отходящей линии симметрирующего устройства обеспечивается блоком круговой перестановки фаз 2 по сигналам управления контроллера К. При этом в блоке изменения чередования фаз 1 остается замкнутым коммутационный элемент 1.1.
В результате проводимости всех фаз электрической сети оказываются максимально близкими друг к другу по величине в рамках контролируемого диапазона и одновременно обеспечивается сохранение исходного порядка чередования фаз.
Возможность или невозможность изменения исходного порядка чередования фаз определяет режим работы контроллера и задается через интерфейс пользователя И.
Литература
1. ГОСТ 32144-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Патент РФ №2200364, ДАВИД Яир, ВИТТНЕР Лупу, 05.12.1997, Устройство равномерного распределения электрической нагрузки по п-фазной сети распределения электроэнергии.
3. Патент РФ №162639, Орлов А.И., Савельев А.А., 26.10.2015, Устройство симметрирования нагрузки.
4. Заявка на патент РФ №2016127923, Савельев А.А., Орлов А.И., 11.07.2016, Способ симметрирования многофазной электрической сети и устройство для его реализации.