EA025827B1 - Трехфазный симметрирующий автотрансформатор (его варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических распределительных трехфазных четырех- и пятипроводных сетях напряжением 0,4 кВ с заземленной нейтралью для симметрирования напряжения, ограничения тока в нулевом проводе и снижения потерь в линии электропередач при неуравновешенных фазных нагрузках за счет компенсации перекоса фазных токов. Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является максимальное симметрирование напряжения на нагрузке, ограничение тока в нулевом проводе и снижение потерь в линии электропередач при неуравновешенных фазных нагрузках за счет компенсации перекоса фазных токов, что позволяет упростить высокочастотные фильтры. При этом конструкция трансформатора не имеет дополнительных ключей и он работает в автоматическом режиме. Поставленная задача решается тем, что в известном трехфазном симметрирующем автотрансформаторе каждая компенсационная фазная обмотка выполнена в виде трех последовательно соединенных секций, каждая из которых размещена на разном стержне магнитопровода, секции каждой компенсационной фазной обмотки соединены между собой по схеме открытых треугольников и каждая компенсационная фазная обмотка вторым концом подсоединена к соответствующей фазе сети. Имеются и другие отличия от прототипа. Заявляемая конструкция показала заявленную экономию материалов и выравнивание нагрузки по фазам.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических распределительных трехфазных четырех- и пятипроводных сетях напряжением 0,4 кВ с заземленной нейтралью для симметрирования напряжения, ограничения тока в нулевом проводе и снижения потерь в линии электропередач при неуравновешенных фазных нагрузках за счет компенсации перекоса фазных токов.

Асимметрия напряжений на нагрузке возникает из-за разного падения напряжения в проводах линии при перекосах фазных токов, вызванных неравномерным распределением однофазных нагрузок, и может значительно отличатся от номинальных значений. При этом в нулевом проводе четырехпроводной линии появляется ток, равный геометрической сумме фазных токов. При отключении нагрузки одной или двух фаз по нулевому проводу будет протекать ток, равный фазному току нагрузки.

Необходимость ограничения тока нулевого провода вызвана тем, что в распределительных сетях 0,4 кВ сечение нулевого провода, как правило, принимается на ступень меньше сечения фазного провода. Для компенсации перекоса напряжений целесообразно перераспределить токи нагрузки по фазам, выровняв их значения. Выравнивание фазных токов способствует снижению потерь в линиях электропередач (ЛЭП).

Кроме этого, в настоящее время все большее применение находят высокочастотные преобразователи, что вызывает необходимость защиты сети от частотных помех и гармоник. Как правило, для ограничения гармоник в этих случаях устанавливаются высокочастотные фильтры, состоящие из сетевых дросселей и конденсаторов.

Известно Трехфазное симметрирующее устройство [1], содержащее трансформатор, выполненный на трехстержневом магнитопроводе, первичные обмотки которого разбиты на две секции и соединены по схеме зигзаг с нулем. Первичные обмотки подключены к трехфазной линии питания, нулевой вывод трансформатора к сети не подключен. Нагрузка подключается к фазам линии и нулевому выводу трансформатора.

Известное техническое решение позволяет неуравновешенные токи нагрузки перераспределить по фазам первичной сети и за счет выравнивания падения напряжения в линии симметрировать напряжение на нагрузке. Недостатком известного решения является то, что оно может быть использовано только в тех случаях, когда нулевой провод нагрузки изолирован от заземления (в пятипроводной системе с РЕ- и Ν-проводниками). Кроме этого, при однофазной нагрузке ток нагрузки перераспределяется по фазам не равномерно, что не способствует повышению симметрии напряжений и не выравнивает в полной степени нагрузку на провода линии.

Известно также Устройство для стабилизации и симметрирования трехфазного напряжения [2], в котором применен автотрансформатор, имеющий первичные обмотки, разбитые на три секции и соединенные по схеме зигзаг, причем две секции зигзага включены согласно, а третья - встречно; повышающую (понижающую) обмотки, включенные последовательно с фазными обмотками, и дополнительные обмотки, соединенные в треугольник. Обмотки, подключенные последовательно с фазными обмотками, включаются согласно или встречно с помощью управляемых пофазно ключей, стабилизируя напряжение. Дополнительные обмотки, соединенные в треугольник, предназначены для компенсации потоков нулевой последовательности, возникающих в магнитопроводе автотрансформатора при неуравновешенных фазных нагрузках. Известное техническое решение позволяет стабилизировать (в заданном диапазоне) и симметрировать напряжение на нагрузке, но может быть использовано только в тех случаях, когда нулевой провод нагрузки изолирован от заземления.

Известен симметрирующий трехфазный трансформатор [3], выполненный на трехстержневом магнитопроводе. На каждом из стержней трансформатора расположены первичные, вторичные и компенсационные обмотки. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные - в звезду с нулем, компенсационные - в открытый треугольник, причем компенсационные обмотки включены в нулевой провод.

Известен симметрирующий трехфазный трансформатор [4], выполненный на трехстержневом магнитопроводе, на каждом из стержней которого расположены первичные и вторичные обмотки, а компенсационная обмотка выполнена в виде витков из проводникового материала, лежащих поверх всех трех фазных обмоток трансформатора. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные - в звезду с нулем, при этом компенсационная обмотка включена в нулевой провод.

Известные технические решения позволяют неуравновешенные токи нагрузки перераспределить по всем трем фазам первичной сети и, за счет выравнивания падения напряжения в линии и первичной цепи трансформатора симметрировать напряжение на выходе трансформатора.

Такие трансформаторы находят применение на трансформаторных подстанциях (например, 10/0,4 кВ). Но в этом случае, в линии 0,4 кВ, несимметрия токов нагрузки сохраняется. Например, при двухфазной нагрузке, когда одна из фаз отключена, ток в нулевом проводе будет равен фазному току, что не допустимо, особенно для старых ЛЭП, в которых нулевой провод выполнен сечением на ступень меньше фазного.

Установка подобных трансформаторов 0,4/0,4 кВ в узлах нагрузки (в конце линии) позволяет ограничить токи и уменьшить потери в линии. Но при неуравновешенных нагрузках падение напряжения во вторичных обмотках трансформатора по фазам будет различно, что приводит к асимметрии фазных напряжений отходящих линий. Кроме этого, в распределительных сетях 0,4 кВ, применение трансформато- 1 025827 ров в этом случае экономически не целесообразно, так как стоимость трансформатора, рассчитанного на полную мощность нагрузки, не окупится полученным эффектом и ни одно из представленных решений не исключает необходимости установки высокочастотных фильтров при наличии гармоник в сети потребителя.

В качестве прототипа для всех вариантов принят трехфазный трансформатор [5], содержащий стержневой магнитопровод, обмотки высшего напряжения, расположенные на каждом стержне и соединенные в звезду, обмотки низшего напряжения, состоящие из двух одинаковых половин, размещенных на разных стержнях магнитопровода и соединенных последовательно, причем на каждом из стержней магнитопровода размещены половины двух различных обмоток, при этом обмотки низшего напряжения соединены в треугольник.

Прототип является наиболее простой конструкцией, однако он не свободен от недостатков, присущих вышеперечисленным решениям из уровня техники.

Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является максимальное симметрирование напряжения на нагрузке, ограничение тока в нулевом проводе и снижение потерь в линии электропередач при неуравновешенных фазных нагрузках за счет компенсации перекоса фазных токов, что позволяет упростить высокочастотные фильтры. При этом конструкция трансформатора не имеет дополнительных ключей, и он постоянно находится в непрерывном рабочем режиме.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в известном трехфазном симметрирующем автотрансформаторе, содержащем трехстержневой магнитопровод, первичные обмотки, размещенные на всех трех стержнях, соединенные в звезду с нулем и подключаемые к сети, компенсационные фазные обмотки, составляющие в совокупности с первичными обмотками вторичные обмотки, подключенные к нагрузке, согласно изобретению, каждая компенсационная фазная обмотка выполнена в виде трех последовательно соединенных секций, каждая из которых размещена на разном стержне магнитопровода, секции каждой компенсационной фазной обмотки соединены между собой по схеме открытых треугольников и каждая компенсационная фазная обмотка вторым концом подсоединена к соответствующей фазе сети.

Поставленная задача решается также и тем, что первичные обмотки подключены к сети через секции компенсационной обмотки, расположенные на том же стержне магнитопровода, что и первичная, при этом секции расположенные на том же стержне, что и первичная обмотка, включены согласно с первичной обмоткой, а остальные включены встречно.

Поставленная задача решается также и тем, что секция компенсационной обмотки νζ, расположенная на том же стержне, что и первичная обмотка, выполнена с большим (меньшим) числом витков, чем эквивалентное число витков XV,,. других секций этой обмотки.

Поставленная задача решается также и тем, что эквивалентное число витков определяют из формулы

Vэ_Κ=^V²κ+V'²κ-V_κ·V'_κ, где νκ и ν’κ - числа витков других секций компенсационной обмотки.

Поставленная задача решается также и тем, что между точками соединения секций компенсационных обмоток в открытые треугольники и нулевым проводом подключены конденсаторы.

Поставленная задача решается также и тем, что число витков компенсационной обмотки выбирают равным 1/3-1/4,5 числа витков фазной обмотки.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в известном трехфазном симметрирующем автотрансформаторе, содержащем трехстержневой магнитопровод, первичные обмотки, размещенные на всех трех стержнях, соединенные в звезду с нулем и подключаемые к сети, компенсационные фазные обмотки, в совокупности с первичными обмотками составляющие вторичные обмотки, согласно изобретению, компенсационные фазные обмотки, соединенные в открытый треугольник, расположены на каждом стержне магнитопровода, при этом один открытый конец треугольника присоединен к нулевому проводу сети, а второй открытый конец - к нулевому проводу нагрузки.

Поставленная задача решается также и тем, что число витков компенсационной обмотки выбирают равным 1/3-1/4,5 числа витков фазной обмотки.

Так как в автотрансформаторе, в отличие от трансформатора часть энергии с первичной цепи во вторичную передается электрическим путем, расход электрических материалов будет меньше, соответственно меньше будет и его стоимость. Так, например, для нагрузки 25 кВА при трансформаторной схеме симметрирующий трансформатор может быть выполнен на базе ТСР-25, стоимость материалов на изготовление автотрансформаторов снижается примерно в 2,5 раза.

Часто, одновременно с симметрированием, возникает необходимость корректировки напряжения (увеличение или уменьшение) по величине и необходимость подавления гармоник, что позволяет предлагаемое решение осуществить без существенных дополнительных затрат.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена электрическая схема автотрансформатора по первому варианту с компенсационными обмотками, выполненными в виде фазных обмоток, соединенных в открытые треугольники, один конец которых подключен к фазным обмоткам автотрансформатора, второй - к нагрузке, а первич- 2 025827 ная обмотка включена по схеме звезда с нулем.

На фиг. 2 представлена электрическая схема автотрансформатора по первому варианту с компенсационными обмотками, выполненными в виде фазных обмоток, первичные обмотки подключены к сети через секции компенсационной обмотки, расположенные на том же стержне магнитопровода, что и первичная обмотка, при этом секции, расположенные на том же стержне, что и первичная обмотка, включены согласно с первичной обмоткой, а остальные - встречно.

На фиг. 3 и 4 представлены электрические схемы автотрансформаторов по первому варианту, в которых между точками соединения секций компенсационных обмоток в открытые треугольники и нулевым проводом подключены конденсаторы.

На фиг. 5 представлена электрическая схема автотрансформатора по третьему варианту, в котором компенсационные фазные обмотки, соединенные в открытый треугольник, расположены на каждом стержне магнитопровода, при этом один открытый конец треугольника присоединен к нулевому проводу сети, а второй открытый конец - к нулевому проводу нагрузки.

Автотрансформатор содержит магнитопровод 1, первичные обмотки Α₁ 2, компенсационные обмотки А_кА, А_кВ, А_кС 3, разбитые на секции 4 с различными схемами расположения на магнитопроводе и соединения, концы которых подключены соответственно к первичной обмотке автотрансформатора со стороны сети, второй - к нагрузке. В цепи существует нагрузка 5, которая может быть подключена как ко всем трем фазам, так и к двум или к одной.

При симметричной нагрузке по компенсационным обмоткам протекают одинаковые по величине токи, сдвинутые под углом 120 электрических градусов, которые создают в стержнях магнитопровода взаимно уравновешенные магнитные потоки и ток в нулевом проводе, равный векторной сумме фазных токов, равный нулю. При этом по первичной обмотке автотрансформатора протекает незначительный ток холостого хода.

При асимметрии токов нагрузки и соответственно токов в компенсационных обмотках, магнитные потоки, создаваемые этими обмотками, будут геометрически складываться. В стержнях магнитопровода будут возникать направленные в одну сторону во всех фазах автотрансформатора потоки, так называемые потоки нулевой последовательности. Эти магнитные потоки создают ЭДС нулевой последовательности и, соответственно, токи нулевой последовательности Ι₀₁ в первичной обмотке пропорционально коэффициенту трансформации (обратно пропорционально соотношению числа витков А₁/А_к). Подключение обмотки А_к выбрано таким образом, чтобы фазные токи автотрансформатора векторно вычитались из фазного тока линии наиболее нагруженной фазы и добавлялись к токам менее нагруженных фаз. Такое перераспределение приводит к более симметричному распределению токов по фазам в ЛЭП, выравниванию падений напряжения в проводах линии и, следовательно, к симметрированию напряжения на нагрузке, а также к уменьшению тока нулевого провода и потерь в линии электропередач, что обеспечивает экономию электроэнергии.

Полная компенсация тока в нулевом проводе выполняется при равенстве магнитодвижущей силы (количества ампервитков) рабочей Ι₀₁·Α₁ и компенсационной 1₀₂А_к обмоток, т.е. при равенстве Ι₀₁·Α₁=3·Ι₀₂·Α_ε или когда А_к=1/3^А₁. И как следствие, идет перераспределение тока однофазной (двухфазной) нагрузки на все фазы сети пропорционально соотношению чисел витков первичной и компенсационной обмоток с учетом векторного сложения токов. Для ограничения тока нулевого провода до допустимого уровня (1/3 фазного тока) должно быть скомпенсировано 2/3 его величины, следовательно, число витков компенсационной обмотки может быть соответственно уменьшено: А_к=А₁/4,5. При выборе количества витков компенсационной обмоток большей, чем Α₁/3, ток в нулевом проводе будет перекомпенсирован, а при выборе менее Α₁/4,5 - недокомпенсирован.

На фиг. 2 представлена электрическая схема автотрансформатора с компенсационными обмотками, выполненными в виде фазных обмоток, соединенных в открытые треугольники, один конец которых подключен к сети, а второй - к нагрузке. При этом первичная обмотка подключена согласно к сети обмотки треугольника, расположенной на том же стержне, что и первичная и соединена по схеме звезда с нулем.

В этой схеме, по сравнению с предыдущей, число витков первичной обмотки может быть уменьшено на число витков секции компенсационной обмотки, включенной согласно, и, соответственно, уменьшен расход материалов на изготовление автотрансформатора. При этом, если число витков секции, включенной согласно, сделать меньше числа витков других секций обмотки, соединенной треугольником, получим повышающий автотрансформатор, если больше - понижающий.

На фиг. 3 и 4 представлены электрические схемы автотрансформатора, когда компенсационные обмотки, обладая повышенным индуктивным сопротивлением для высокочастотных гармоник, выполняют роль сетевого дросселя и в совокупности с конденсаторами образуют ЬС фильтр. При этом фильтр, выполненный по схеме, представленной на фиг. 3, может быть как одно-, так и двухступенчатым. Емкости конденсаторов фильтра выбирают в зависимости от частоты гармоник по существующим методикам.

На фиг. 5 представлена электрическая схема второго варианта автотрансформатора с компенсационными обмотками, выполненными в виде фазных обмоток, соединенных в открытый треугольник, а

- 3 025827 первичная обмотка включена по схеме звезда с нулем. При этом один конец обмоток, соединенных в открытый треугольник, подключен к нулевому выводу автотрансформатора и к нулевому проводу (нейтрали) сети, а второй - к нагрузке.

При отключении нагрузки одной или двух фаз по нулевому проводу со стороны нагрузки и по обмотке №_к будет протекать полный ток 1₀₂, равный фазному току нагрузки 1_Н. При таком конструктивном исполнении, в отличие от предыдущих, где магнитные потоки суммировались в магнитопроводе, фазные токи нагрузки, геометрически суммируясь и протекая по компенсационной обмотке, создают в магнитопроводе единый поток нулевой последовательности.

Данная схема может использоваться в случаях, когда нулевой провод нагрузки изолирован от заземления, например в пятипроводных сетях (с РЕ- и Ν-проводниками). Применение этой схемы помимо решения общей задачи позволяет уменьшить затраты на изготовление автотрансформатора.

Представленная на фиг. 5 схема при выполнении отпаек на первичной обмотке может быть использована в качестве понижающего или повышающего автотрансформатора. Эта схема также может быть использована в обычных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью на протяженных как кабельных, так и воздушных ЛЭП. В четырехпроводных сетях из-за наличия параллельных с нулевым проводом токопроводящих цепей (повторные заземления нулевого провода на оболочки кабелей, фундаменты, трубопроводы, другие заземлители) эффективность симметрирования напряжения снижается, но незначительно, учитывая, что сопротивление земли при протяженных ЛЭП, как минимум, на порядок выше сопротивления нулевого провода.

Все перечисленные схемы могут использоваться в сочетании с дополнительными обмотками различных назначений: в автотрансформаторной схеме для повышения (понижения) напряжения, отдельных обмоток: питания пускорегулирующей аппаратуры, освещения, сигнализации и т.д.

Конструкция всех вариантов автотрансформаторов по предложенным изобретениям испытана Открытым акционерным обществом Минский электротехнический завод имени В.И. Козлова. Разработана конструкторская и технологическая документация.

Испытания всех вариантов автотрансформаторов, выполненных по предложенным изобретениям подтвердили эффективность решения поставленной задачи путем выравнивания нагрузки по фазам сети, а также получение дополнительных технических эффектов - экономию материалов и уменьшение габаритов в схемах, представленных на фиг. 5.

В испытанных образцах автотрансформаторов асимметрия как при двухфазной, так и при однофазной нагрузке не превышала: фазных токов - 8%, фазных напряжений - 0,5%. Ток в нулевом проводе сети не превышал 30% фазного тока нагрузки. Снижение потерь электроэнергии в условной линии электропередач (длиной 300 м, выполненной алюминиевым кабелем сечением (25x3+10) мм²) при двухфазной нагрузке составляет 64%.

Источники информации.

1. Патент КИ 2314620, 1102.1 3/26, Н02Н 3/253, 27.12.2004.

2. Патент КИ 2215320, С05Р 11/30, Н02М 5/257, 27.02.2002.

3. Патент ΒΥ 6751, Н01Р 30/12, 30.12.2004.

4. Авт.св. СССР 8И 1099328, Н01Р 27/38, 23.06.1984.

5. Патент ΒΥ 2244, Н01Р 30/12, 30.09.1998 - прототип.

Claims (8)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор, содержащий трехстержневой магнитопровод, первичные обмотки, размещенные на всех трех стержнях, соединенные в звезду с нулем и выполненные с возможностью подключения к сети, компенсационные фазные обмотки, в совокупности с первичными обмотками составляющие вторичные обмотки, подключенные к нагрузке, отличающийся тем, что каждая компенсационная фазная обмотка выполнена в виде трех последовательно соединенных секций, которые размещены на разных стержнях магнитопровода, секции каждой компенсационной фазной обмотки соединены между собой по схеме открытых треугольников и каждая компенсационная фазная обмотка вторым концом подсоединена к соответствующей фазе сети.
2. 2. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по п.1, отличающийся тем, что первичные обмотки подключены к сети через секции компенсационной обмотки, расположенные на том же стержне магнитопровода, что и первичная обмотка, при этом секции, расположенные на том же стержне, что и первичная обмотка, включены согласно с первичной обмоткой, а остальные - встречно.
3. 3. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что секция компенсационной обмотки №'_к, расположенная на том же стержне, что и первичная обмотка, выполнена с большим (меньшим) числом витков, чем эквивалентное число витков №_эк других секций этой обмотки.
4. 4. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по п.3, отличающийся тем, что эквивалентное число витков №_эк определяют из формулы где №''_к и №'_к - числа витков других секций компенсационной обмотки.

   - 4 025827
5. 5. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что между точками соединения секций компенсационных обмоток в открытые треугольники и нулевым проводом подключены конденсаторы.
6. 6. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что число витков компенсационной обмотки выбирают равным 1/3-1/4,5 числа витков фазной обмотки.
7. 7. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор, содержащий трехстержневой магнитопровод, первичные обмотки, размещенные на всех трех стержнях, соединенные в звезду с нулем и выполненные с возможностью подключения к сети, компенсационные фазные обмотки, в совокупности с первичными обмотками составляющие вторичные обмотки, отличающийся тем, что компенсационные фазные обмотки, соединенные в открытый треугольник, расположены на каждом стержне магнитопровода, при этом один открытый конец треугольника присоединен к нулевому проводу сети, а второй открытый конец - к нулевому проводу нагрузки.
8. 8. Трехфазный симметрирующий автотрансформатор по п.7, отличающийся тем, что число витков компенсационной обмотки выбирают равным 1/3-1/4,5 числа витков фазной обмотки.