ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2007 года по МПК H02J3/00 H02J3/04 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для передачи электрической энергии в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Известна электрическая система, содержащая трехфазные источники электрической энергии с противофазными напряжениями, четырехпроводную линию электропередачи, трехфазные трансформаторы и симметричный трехфазный приемник электрической энергии ([1], прототип).

Указанная электрическая система из-за отсутствия двух линейных проводов принципиально несимметрична, что накладывает ограничения на ее протяженность и величину передаваемой мощности. При увеличении протяженности электрической системы возрастает сопротивление проводов линии электропередачи, что приводит к увеличению падения напряжения на линии и, следовательно, к росту несимметрии напряжения на нагрузке. При увеличении уровня передаваемой мощности возрастает ток в линии, что также к увеличивает падение напряжения на линии и приводит к росту несимметрии напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 несимметрия напряжений на нагрузке в нормальном режиме не должна превышать 2%, в послеаварийном режиме - 4% [2].

Анализ показывает, что при работе указанной электрической системы в режиме передачи номинальной мощности в 10 МВт при напряжении 35 кВ несимметрия напряжения на симметричной нагрузке достигает максимально допустимой величины в 4% уже при протяженности линии 40 км. При увеличении уровня передаваемой мощности, а также несимметричной нагрузке несимметрия напряжения также возрастает.

Целью изобретения является обеспечение качества электроэнергии, увеличение максимальной протяженности электрической системы и ее пропускной способности.

Указанная цель достигается путем генерации комплексных сопротивлений, эквивалентных полным сопротивлениям двух отсутствующих в четырехпроводной линии электропередачи проводов, с помощью включаемых последовательно с линией реактивных сопротивлений.

Структурная схема предлагаемой электрической системы приведена на фиг.1 и содержит два трехфазных источника электрической энергии 1, два трехфазных трансформатора 2, четырехпроводную линию электропередачи 3, трехфазный приемник электрической энергии 4 и включаемые продольно в линию реактивные сопротивления 5.

Принцип работы предлагаемой электрической системы можно пояснить с помощью принципиальных схем, приведенных на фиг.2-4 следующим образом.

В силу симметричности относительно точек m и n приведенной на фиг.2 схемы электрической системы - прототипа, достаточно рассмотреть ее любую половину. При этом, поскольку напряжение между точками тип равно нулю, то между ними может быть включено любое по величине сопротивление, в том числе и равное нулю. Поэтому указанные точки для проведения анализа могут быть соединены, как это показано на фиг.3, где учтены и полные (комплексные) сопротивления линейных проводов Zл. Для определенности положим, что между собой соединены фазы А противофазных источников энергии, так что в рассматриваемой схеме должны быть учтены только сопротивления линейных проводов фаз В и С.

Сопротивления ветвей схемы фиг.3 принципиально различны, поэтому между точками соединения генераторов и нагрузок, обозначенных соответственно 0 и 0′, будет присутствовать напряжение, аналогичное напряжению смещения нейтрали в трехфазных системах при несимметричной нагрузке. Введем в соответствующие ветви по дополнительному реактивному сопротивлению Za, Zb и Zc, как это показано на фиг.4, и потребуем, чтобы токи, текущие в ветвях получившейся схемы, были, во-первых, равны по величине и, во-вторых, чтобы разности фаз токов составляли 2π/3 радиан. В этом случае напряжения на нагрузках будут симметричны. Выбор реактивного характера дополнительных сопротивлений обусловлен отсутствием в них потерь мощности.

Определим полные проводимости ветвей как величины, обратные их полным сопротивлениям Z'а, Z'b, Z'с:

Напряжение между точками 00' определяется известным из курса электротехники ([3], с.191) выражением:

где Еа, Eb и Ec - комплексные фазные напряжения источников, связанные между собой соотношением

где - оператор трехфазной системы, для которого справедливы выражения 1+а+а²=0; а³=1.

Тогда токи, текущие в ветвях схемы, равны:

Для них должно выполняться соотношение, подобное (3):

Выражение (2) с учетом (3) можно записать иначе:

Тогда

Умножим правую часть выражения (7-2) в соответствии с (5) на а и приравняем ее правой части (7-1). После сокращения на Еа получим:

Приведем (8) к общему знаменателю и умножим на него обе части равенства. После упрощения получим:

Последнее выражение может быть записано в виде

и при равенстве проводимостей ветвей (Ya=Yb=Yc) является тождеством, что может служить подтверждением справедливости выражения (9).

Выразим из (9), например, Ya:

или

Подставив в (10) выражения для Z'a, Z'b, Z'c из (1), после упрощения получим:

Выражение (11) можно записать несколько иначе:

Последнее уравнение (12) определяет требуемые величины дополнительных реактивных сопротивлений Za, Zb и Zc.

Условие (12) имеет очень простое графическое решение на комплексной плоскости - геометрическая сумма дополнительных реактивных сопротивлений Za, Zb и Zc должна равняться полному сопротивлению Zл отсутствующего линейного провода. При этом величины реактивных сопротивлений Zb и Zc следует откладывать по мнимым осям, повернутым относительно исходного положения на угол 120° (для провода В) и 240° - для провода С (фиг.5).

Очевидно, что уравнение (12) имеет бесконечное множество решений. Решение становится однозначным, если ограничиться включением двух реактивных элементов. В этом случае возможны три варианта решения, схематически представленных на фиг.6-8.

Из фиг.6 следует, что полное сопротивление отсутствующего линейного провода Zл может быть сгенерировано путем включения в линейные провода фаз А и С индуктивных сопротивлений.

Такой же результат может быть получен при включении в линейные провода фаз В и С двух емкостных сопротивлений (фиг.7) или индуктивного сопротивления в линейный провод А и емкостного сопротивления в линейный провод В (фиг.8).

Следует особо отметить, что величины дополнительных сопротивлений являются функцией только полного сопротивления линейных проводов, а это означает, что симметрия напряжений на симметричной нагрузке будет обеспечена при любой ее величине и при любых значениях передаваемой мощности. При этом дополнительные сопротивления могут быть включены как со стороны нагрузки, так и со стороны источников электрической энергии, а также частями с обеих сторон линии при условии, что общее сопротивление этих частей (их сумма) удовлетворяет условию (12).

Таким образом, показана возможность получения симметричной системы напряжений на симметричной нагрузке при несимметричности электрической системы в целом. Тем самым предлагаемое техническое решение снимает ограничения на протяженность электрической системы и уровень передаваемой мощности, позволяет обеспечить качество электроэнергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97.

Источники информации

1. Описание изобретения за №2256273 от 10.07.2005 в бюллетени №19 к изобретению Электрическая система.

2. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения.

3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 1999. - 638 с.: ил.

Использование: для передачи электрической энергии в электрических сетях с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в снятии ограничений как на протяженность электрической системы, так и на ее пропускную способность. В рассматриваемой электрической системе, помимо применения противофазного включения источников электрической энергии, что позволяет выполнить линию электропередачи четырехпроводной и, следовательно, уменьшить потери электрической энергии и напряжения при сохранении того же уровня передаваемой мощности, что и по традиционной двухцепной линии электропередачи с шестью линейными проводами, для устранения несимметрии предлагается ввести включаемые продольно в линию электропередачи реактивные элементы. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электрическая система, содержащая два противофазных трехфазных источника электрической энергии, соединенных в звезду или треугольник, одна пара одноименных выводов которых соединена между собой, каждая из двух оставшихся пар выводов источников электрической энергии соединена с одним из четырех проводов линии электропередачи, два трехфазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены в звезду или треугольник, одна пара одноименных выводов первичных обмоток которых соединена между собой, а каждая из двух оставшихся пар выводов первичных обмоток трансформаторов соединена с другими концами проводов четырехпроводной линии электропередачи, первичные и вторичные обмотки одного из трансформаторов включены между собой согласно, а второго трансформатора - встречно, одноименные выводы обмоток вторичного напряжения трансформаторов соединены параллельно в трехфазную схему, к которой присоединен трехфазный приемник электрической энергии, отличающаяся тем, что, с целью устранения несимметрии указанной электрической системы, увеличения ее пропускной способности и протяженности, а также повышения качества электроэнергии, одна пара одноименных выводов источников электрической энергии соединена между собой через включенные последовательно с ними индуктивные элементы (реакторы), а выводы опережающих фаз источников электрической энергии соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы.2. Электрическая система по п.1, отличающаяся тем, что выводы опережающих фаз источников электрической энергии соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы, а выводы отстающих фаз источников электрической энергии соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними индуктивные элементы.3. Электрическая система по п.1, отличающаяся тем, что выводы опережающих фаз источников электрической энергии и выводы отстающих фаз источников электрической энергии соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы.4. Электрическая система по п.1, отличающаяся тем, что одноименные выводы первичных обмоток трансформаторов соединены между собой через включенные последовательно с ними индуктивные элементы (реакторы), а выводы опережающих фаз первичных обмоток трансформаторов соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы.5. Электрическая система по п.1, отличающаяся тем, что выводы опережающих фаз первичных обмоток трансформаторов соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы, а выводы отстающих фаз первичных обмоток трансформаторов соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними индуктивные элементы.6. Электрическая система по п.1, отличающаяся тем, что выводы опережающих фаз первичных обмоток трансформаторов и выводы отстающих фаз первичных обмоток трансформаторов соединены с соответствующими проводами четырехпроводной линии электропередачи через включенные последовательно с ними емкостные элементы.7. Электрическая система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что общая точка соединения одноименных выводов источников электрической энергии заземлена.8. Электрическая система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что общая точка соединения одноименных выводов первичных обмоток трансформаторов заземлена.9. Электрическая система по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что общая точка соединения одноименных выводов источников электрической энергии и общая точка соединения одноименных выводов первичных обмоток трансформаторов заземлены.