Способ симметрирования токов трёхфазной сети 0,4 кВ Российский патент 2019 года по МПК H02J3/26 

Способ и устройство относятся к области электротехники и могут быть использованы для автоматического симметрирования фазных токов трехфазной распределительной сети 0.4 кВ, в которой часть нагрузок являются однофазными с целью потерь электроэнергии.

Известен способ (www.findpat.ruent, патент RU №2030055) согласно которому измеряют комплексы фазных токов несимметричной нагрузки и напряжение сети каждой фазы и с учетом этих данных вычисляют проводимость симметрирующего элемента по приведенной формуле. В зависимости от знака вычисленной реактивной составляющей симметрирующий элемент может быть как активно-емкостным, так и активно-индуктивным. Симметрирующий элемент подключается на фазное напряжение трехфазной сети и с учетом сдвига по фазе и величины асимметрии подключаются соответствующие по величине корректирующие параметры. Недостатком аналога является то обстоятельство, что схема измерений и вычислений сдвига по амплитуде и фазе токов достаточно сложна, а главное требует набора множества массивных симметрирующих элементов как активно-емкостных, так и активно-индуктивных, а также сильноточных, на сотни ампер, коммутирующих элементов (тиристоры/симисторы), к тому же динамический диапазон симметрирования не превышает 50%.

Широко известен и описан, например в www.energosovet.ru и, например, в www.findpatent.ru патент RU №2321133, способ симметрирования фазных напряжений и нагрузок (устранение перекоса фаз) использованием симметрирующего трансформатора, подключаемого последовательно между силовым трансформатором и потребителями и за счет сдвига фаз и амплитуд в котором обеспечивают симметрию токов. Динамический диапазон велик, максимальная нагрузка на одну фазу может составлять 50% от трехфазной мощности источника электроэнергии, при этом силовой трансформатор воспринимает нагрузку как равномерно распределенную по фазам. Однако симметрирующий трансформатор громоздок, в нем существуют дополнительные потери в стали и меди, а по цене и материалоемкости он не уступает трансформатору силовому.

Наиболее близким к предлагаемому, является техническое решение по патенту RU 2548656 МПК H02J 3/26 «Способ симметрирования фазных токов трехфазной четырех проводной линии и устройство для его осуществления», суть которого состоит в том, что способ и устройство обеспечивают переключение, по меньшей мере, части однофазных нагрузок к наименее загруженной фазе, благодаря тому, что для каждой из переключаемых однофазных нагрузок в месте ее присоединения к линии, определяют значения асимметрии 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 максимальным значением модуля активной мощности, знак которого противоположен знаку активной мощности наиболее нагруженной фазы. Устройство прототипа содержит: - три однопозиционных электромеханических реле, датчик тока нулевого провода, блок высокоточного измерения фазных напряжений и тока нулевого провода, а также контроллер, выполняющий математические функции выбора из трех фаз наименее нагруженную и ее подключение к нагрузке потребителя вместо самой нагруженной. К сожалению, в прототипе по умолчанию не указаны признаки типовой системы, касающиеся изобретения, но которые реально присутствуют например, основной 3-х фазный счетчик, установленный на выходе силового трансформатора, который измеряет и токи и напряжения по каждой фазе, счетчики потребителей, в которых также измеряются параметры сети теми же средствами, что и у прототипа (блоки 4, 5, 6, 17). В результате, устройство для реализации способа требует в месте подключения потребителя к сети дополнительную аппаратуру, сравнимую по точности и объему функций с электронным счетчиком электроэнергии, установленном у потребителя, а также требует выносного датчика тока нулевого провода, например на столбе воздушной линии. К недостатку решения можно также отнести недостаточную долговечность контактов электромеханических реле в связи с дребезгом при их переключении в любой момент тока через них и, следовательно, повышенным износом. Кроме указанных, недостаток прототипа заключается в неучете того факта, что вдоль распределенной линии напряжение на входе каждого последующего локального потребителя уменьшается, независимо от наличия асимметрии токов. Так на входе потребителей, расположенных вдоль линии на некотором расстоянии, при одинаковых потребляемых токах, напряжения будут - разные, вследствие падения напряжения на проводах линии и между ними естественно текут уравнительные токи по нулевому проводу, даже при равенстве (симметрии) потребляемых токов. Устройство прототипа фиксируя в нейтральном проводе: 1) уравнительных токов между ними и 2) разность входных напряжений ошибочно считает, что фазы нагружены не симметрично! и начинает подключать к фазе расположенной ближе к питающему трансформатору, на входе которой напряжение выше, нагрузки расположенные дальше. В результате, возможна принудительная асимметрия нагрузочных токов.

Задачей настоящего изобретения является увеличение достоверности симметрирования фазных токов трехфазной линии распределительной сети 0,4 кB, уменьшение объема аппаратных средств, обеспечивающих реализацию цели симметрирования и повышение долговечности контактов электромеханических реле коммутатора фазных токов.

Технический результат, благодаря предложенному способу, может быть обеспечен в системе электроснабжения содержащей: силовой трансформатор, счетчики учета энергии основной и множества потребителей, концентратор данных счетчиков, проводной или радиоканал связи между ними и коммутатор фазных токов, благодаря тому что: всех потребителей электроэнергии распределяют на примерно равные три группы и к каждому потребителю, через коммутатор фазных токов, подключают фазы электроэнергии по схеме «или»: А и В; В и С; А и С. Далее, аппаратуру концентратора снабжают дополнительным программным модулем, с помощью логически -математических операций которого, используя данные отгруженной энергии по каждой фазе, вычисляют среднее значение фазных токов силового трансформатора за предшествующий цикл опроса, выявляют наиболее нагруженную фазу и при величине несимметрии, превышающей установленный допуск, переключают одного или более потребителей на менее нагруженные фазы. Причем, симметрирование осуществляют с помощью 2-х однопозиционных электромеханических реле коммутатора фазных токов. В отличие от способа прототипа, предложенный способ симметрирования множества потребителей базируется на усредненных значениях фазных токов непосредственно на выходе силового трансформатора, исключает возможность появления ложных команд на переключение, минимизирует количество необходимых коммутационных событий в линии, упрощает аппаратную реализацию, использованием уже установленных в линии аппаратных средств. Проблему минимизации коммутационных событий решают выбором из множества тех адресов потребителей, переключение которых способствует уменьшению их общего количества, т.е. более крупных, но одновременно расположенных компактно, иначе даже при идеальной симметрии по нулевому проводу вынуждены встречные токи и, соответственно, дополнительные потери энергии.

Дополнительно, переключение однофазных нагрузок потребителей с более нагруженной фазы на менее нагруженные синхронизируют относительно напряжения в сети таким образом, чтобы переключение контактов электромеханических реле происходило вблизи нулевых значений сетевого напряжения и тока. Использование синхронизации позволяет увеличить долговечность контактов и применять более дешевые реле с меньшими значениями рабочих токов.

Реализация способа предполагает использование дополнительного программного модуля(ей) к уже имеющимся программным и аппаратным средствам концентратора и счетчиков потребителей, что исключает использование множества дополнительных аппаратных средств обнаружения и измерения параметров перекоса фаз, используемых прототипом.

Реализация способа, с учетом возможности разбиения всех потребителей на три группы с подключаемыми к ним двумя фазами по схеме «или» А и В, В и С, С и А позволяет уменьшить количество электромеханических реле в системе по сравнению с прототипом на треть.

На фиг. 1 показана упрощенная схема системы распределительной сети 0.4 кВ.

На фиг. 2 приведены блоки дополнительного программного модуля концентратора

На фиг. 3 показана временная диаграмма синхронизации переключения фаз и результирующего напряжение питания на нагрузке потребителя

Способ симметрирования фазных токов трехфазной линии предполагает использование аппаратных средств, содержащих: силовой трансформатор 1, как источник электрической энергии, нагруженный на трехфазную линию 2. К выходным шинам трансформатора 1 подключен основной 3-х фазный счетчик 3, шина данных которого подключена к входу концентратора 4 в котором происходит прием и обработка данных всех счетчиков и передача команд управления через радио или проводной канал в сторону счетчиков 5 потребителей. Входные силовые провода 2-х позиционного коммутатора 7 фазных токов, соединены с двумя фазными проводами силовой линии 2, а общий силовой провод коммутатора 7 через датчик тока счетчика 5 потребителя и через его нагрузку 8 соединен с нейтральным проводом силовой линии 2. Команды управления с выхода концентратора 4 через радио или проводной канал связи и счетчик 5 соединены с его управляющей шиной 6 и коммутатором 7, обеспечивая переключение контактов 9, 10 соответствующего электромеханического реле в режим замыкания или размыкания.

На чертеже фиг. 2 показана упрощенная блок схема дополнительного программного модуля концентратора 4 реализующего логически - математические операции. В дополнительный программный модуль из основного счетчика 3 по входной шине 13, поступают опосредованные данные о фазных токах - J_A, J_B, J_C в виде отгруженных энергий Q_A, Q_B, Q_C. В блоке счетчика 3 нет проинтегрированных данных тока по каждой фазе J_A,в,с но имеются накопленные данные по отгруженной энергии, поэтому проще не загружая память этой операцией, готовые данные суммы отгруженной энергии Q_A,B,C по каждой фазе за предшествующий цикл опроса разделить на время цикла Т и фазное напряжение U_ф и в результате будем иметь усредненное значение тока за предшествующий цикл опроса

В блоке сравнения 15 выявляют средний ток

и разницу ΔJ между средним и действующими усредненными значениями токов J_A, J_B, J_c, а в блоке дискриминатора 16 сравнивают разницу (ы) токов ΔJ с величиной уставки ΔJ_уст.. При грубой оценке метода чувствительность определения асимметрии определяется погрешностью вычисления усредненных токов; как правило, энергию Q_A,B,C измеряют с погрешностью 0,5%, напряжение U_ф с погрешностью 0.1% так что каждое значение тока фазы достоверно примерно с погрешностью 0.6%, а значение среднего тока -2%. Чтобы система не производила бесчисленное количество переключений ток уставки должен быть заведомо больше. Если ΔJ превышает по модулю ΔJ_ycт, то с появлением очередного импульса из блока синхронизации 18 (частотой 50 Гц), в блоке 17 формируют команду управления для двух однопозиционных реле коммутатора 7, задержанную по времени таким образом, чтобы контакты реле (имеющие в зависимости от типа изделия различные временные задержки) замыкались и размыкались при минимальных напряжениях и токах нагрузки 8. Выбор адреса коммутируемых потребителей определяют исходя из величины разницы токов ΔJ и токов потребителей с тем, чтобы количество переключений на линии было минимизировано. Например, если +ΔJ_A=50А и на линии есть три потребителя с токами 20, 15 и 15 А, то их переключить на другие фазы предпочтительнее, нежели 10 потребителей по 5 А. Кроме указанного аргумента на выбор адреса влияет месторасположение коммутируемых потребителей, очевидно, что чем ближе они находятся друг к другу, тем меньше будут токи между ними по нейтральному проводу и меньше потери даже при том условии, что симметрия идеальна.

На чертеже фиг. 3 для наглядности показаны временные диаграммы напряжения сети двух фаз (А и В), зоны переключения контактов 2-х однопозиционных реле коммутатора 7, задержанные относительно синхронизирующего импульса на время необходимое для срабатывания реле и показано результирующее напряжение питания { жирной линией) на нагрузке 8 потребителя.

Динамика выглядит следующим образом. Электронные счетчики 3,5 непрерывно находятся во включенном состоянии, измеряют действующие напряжения, токи, cos ф; вычисляют активную и реактивные мощности потребителей, накапливают количество потребленной энергии… и много других параметров и данные несколько раз в секунду помещают в память счетчиков, так что усредненные данные по полной потребленной энергии потребителей, имеются в памяти счетчиков 3, 5 и концентраторе 4. В каждом цикле опроса (обычно 15…30 минут) измеренные и усредненные данные о потребленной энергии по каждой фазе из основного счетчика 3 передают по шине 13 в блок 14 конвертации фазных энергий в токи. В этом блоке производят операцию преобразования по формуле (1), а в блоке 15 операцию вычисления разности токов между фазным и средним токами по формуле (2), в блоке 16 производят операцию сравнения выявленной разности токов ΔJ с уставкой ΔJ_ycт вычитанием. Как правило, токи не одинаковы и отличаются друг от друга, т.е. постоянно присутствует асимметрия, но если она меньше допустимой величины - ΔJ_yc, то никаких симметрирующих мер согласно способу не предпринимается. А если в результате сравнения ΔJ превышает по модулю ΔJ_yст, то на выходе блока 16 появляется активный сигнал и при приходе очередного импульса синхронизации из блока 18, блоком 17, с учетом условий минимизации количества коммутаций и минимизации расстояния между переключаемыми потребителями, формируется команда управления, которая через проводной или радиоканал связи поступает на шину 6 однопозиционных реле коммутатора 7 фазных токов, вызывая переключение контактов 9, 10 с разносом во времени с целью исключения сквозных токов.

При поступлении команды управления по шине 6 электромеханическое реле не может сработать мгновенно, ему присуща задержка (порядка 15…20 мс) на размыкание и замыкание контактов 9, 10, что вызывает необходимость дополнительных временных задержек в блоке 17 с тем чтобы размыкание контактов коммутатора 7 произошло условно в зоне «а» (заштрихованная область, фиг. 3), а замыкание (в зоне «в») при минимальных токах через нагрузку и с разносом во времени между размыканием одной пары контактов и замыканием другой с целью исключения сквозных токов с фазы на фазу. В результате реализации способа отсутствуют вероятность сквозных токов при переключении с фазы на фазу, а на нагрузке 8 действующее напряжение (жирная линия на фиг. 3) будет присутствовать с незначительным «провалом напряжения» длительностью порядка 6,7 мс. В ситуации, когда в исходном состоянии фаза «А» находится в резерве, а рабочей является фаза «В», т.е. она задержана на 120°, порядок переключения тот же, только или пауза между полупериодами синусоиды будет иной или той же, если синхронизация осуществляется по положительному перепаду фазы напряжения.

Реализация изобретения может быть обеспечена с использованием электронных счетчиков широкой номенклатуры производства «Энергомера» г. Ставрополь; НПО МИР г. Омск; Меркурий, г. Москва…; в которых уже применено одно электромеханическое реле для отключения потребителя в случае неуплаты. С помощью дополнительного блока содержащего два электромеханических однопозиционных реле (SPST), предназначенных для использования в счетчиках, например, типа NRL709N (Новости Электроники №3, 2015) и с помощью дополнительного программного модуля в счетчиках и концентраторе возможна полная реализация способа.

Использование: в области электротехники. Технический результат – увеличение достоверности симметрирования фазных токов трехфазной линии, уменьшение объема аппаратных средств и повышение долговечности контактов электрических реле коммутатора фазных токов. Способ заключается в том, что всех потребителей электроэнергии распределяют на три группы и в каждой, двумя однопозиционными коммутаторами фазных токов, подключают к потребителю две из трех фаз {А-В, В-С, А-С). Аппаратуру концентратора снабжают дополнительным программным модулем, с помощью логически-математических операций которого, используя данные отгруженной энергии по каждой фазе, вычисляют среднее значение фазных токов силового трансформатора за предшествующий цикл опроса, выявляют наиболее нагруженную фазу и при величине несимметрии, превышающей установленный допуск, переключают одного или более потребителей на менее нагруженные фазы. Адреса потребителей, подлежащих переключению, определяют исходя из минимизации количества переключений и минимизации расстояний между ними, а переключение однофазных нагрузок потребителей синхронизируют относительно напряжения в сети. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ симметрирования токов трехфазной распределительной сети 0.4 кВ, содержащей, как минимум: силовой трансформатор, счетчики учета энергии основной и потребителей, концентратор данных счетчиков, проводной или радиоканал связи между счетчиками и концентратором; при котором симметрирование фазных токов осуществляют с помощью электромеханических реле коммутатора фазных токов переключением однофазных нагрузок потребителей с фазы, в которой ток больше среднего на фазу с током меньше среднего значения, отличающийся тем, что всех потребителей электроэнергии распределяют на три группы и в каждой, двумя однопозиционными коммутаторами фазных токов, подключают к потребителю две из трех фаз (А-В, В-С, А-С), аппаратуру концентратора снабжают дополнительным программным модулем, с помощью логически - математических операций которого, используя данные отгруженной энергии по каждой фазе, вычисляют среднее значение фазных токов силового трансформатора за предшествующий цикл опроса, выявляют наиболее нагруженную фазу и при величине не симметрии, превышающей установленный допуск, переключают одного или более потребителей на менее нагруженные фазы.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что адреса потребителей, подлежащих переключению, определяют исходя из минимизации количества переключений и минимизации расстояний между ними.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переключение однофазных нагрузок потребителей синхронизируют относительно напряжения в сети.