Электропередача Советский патент 1981 года по МПК H02J3/00 

(54) ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электропередачи и системам питания элект рических сетей, в частности к электрическим сетям, снабженным устройствами для устранения асимметрии на пряжений и токов в сетях. Известна двухфазная передача эле трической энергии, содержащая симметричный двухфазный источник, симметричную двухфазну о нагрузку и лин передачи, состоящую из четырех проводов 1 . Недостаток ее - большое количест во проводов. Известна симметричная трехфазная передача электрической энергии, содержащая симметричный трехфазный ис точник, трехфазную симметричную наг рузку и симметричную линию передачи состоящую из трех проводов 12. Недостатком ее является большое количество проводов. Известна трехфазная передача электрической энергии, содержащая сикметричныя трехфазный источник, симметричную трехфазную нагрузку и несимметричную линию передачи, состоящую из двух проводов и одного сопутствующего электропроводящего ;Объекта. В качестве сопутствующего электропроводящего объекта используются рельсы, трубы, земля, корпуса и т.д. Сопутствующий электропроводящий объект выполняет роль третьего провода трехфазной линии передашь 3 и 4. В результате того, что два провода и сопутствующий электропроводящий объект имеют различные по величине активные сопротивления, а также собственные и взаимные индуктивности, на приемном конце линии, называемой в этом случае несимметричной, возникает неуравновешенный режим, сопровождающийся появлением несимметрии напряжений и токов на cи мeтpич-ной нагрузке. Несимметрия токов в симметричных трехфазных двигателях приводит к недопустимым перегревам и, как следствие, к выходу их из строя. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой передаче является трехфазная передача злектри ческой энергии, содержащая трехфазный симметричнЕЛй источник, симметричную трехфазную нагрузку, несимметричную линию, состоящую из двух проводов и сопутствующего

электропроводящего объекта, и устройство для симметрирования трехфазных напряжений в конце линии 5. Однако в источнике и линии такой передачи имеет место неуравновешенный режим, зависящий от величины и фазного угла симметричной нагрузки. Из-за наличия симметрирующего устройства, обеспечивающего уравновешенный режим только нагрузки, передача имее повышенную стоимость, а из-за наличия в симметрирующем устройстве конденсаторных батарей и контактных переключателей передача имеет низкую надежность. Кроме того, такая передача не допускает промежуточного отбора мощности от несимметричной линии.

Цель изобретения - обеспечение уравновешенности режима всей передачи при любых значениях -величины и фазного угла лагрузки, повышение надежности передачи и снижение ее стоимости.

Эта цель достигается тем, что в электропередаче, содержащей источник трехфазных напряжений, трехфазную нагрузку и несимметричную линию, состоящую из двух проводов и сопутствующего электропроводного объекта, трехфазные источник и нагрузка выполнены несимметричными по фазам, причем соотношения-между внутренними сопротивлениями 2д(у,) , 2щ,) и Z(--j,

фаз источника, соотношения между сопротивлениями ) , Zg(f,) и трехфазной нагрузки и коэффициентt .несимметрии напряжений трехфазного источника являются функциями со; противлении 2д, 2ц, Zj. и взаимных индуктивностей М д, М и М, несимметричной линии передачи, а именно:

(и)(и))() С(.Н) . а-|- , ,

1-t а-€

. °tV(°)-

-I

,,

e-t((

с T();

Б-ТС.)

cTlV- c) (м.).

где (V - круговая частота сети)

а - фазный оператор (а-е ), j - мнимая величина : )При этом несимметричный трехфазный источник может быть выполнен в виде последовательного соединения симметричного трехфазного источника

и трехфазного трансформатора, имеющего симметричную и несимметричную группы обмоток, причем симметричный источник соединен с симметричной группой обмоток.

Несимметричная нагрузка также может быть выполнена в виде последовательного соединения симметричной трехфазной нагрузки и трехфазного трансформатора, имеющего симметричную и несимметричную группы обмоток, причем симметричная группа обмоток соединена с симметричной нагрузкой.

С целью уменьшения установленной мощности передачи в качестве несимметричной нагрузки использован трехфазный двигатель, статорные обмотки которого выполнены неодинаковым по количеству витков и расположены между собой под углами , от.-личными от 2 , при этом числа витков обмоток связаны между собой следующим соотношением:

-%-W l &/:|a4 a :(, oL д (, )(); cif-grt- - -) -№ (а-ю).

На фиг. 1 представлена принципиальная схема трехфазной передачи, у которой источник и нагрузка выполнены несимметричными; на фиг. 2 - трехфазная передача, у которой несимметричный источник выполнен в виде последовательного соединения несимметричного трансформатора и симметричного источника; на фиг. 3 - принци0 пиальная схема передачи, у которой . несимметричная нагрузка выполнена в виде последовательного соединения симметричной нагрузки несимметричного трансформатора; на фиг. 4 - пере5 дача с несимметричным исполнением трехфазного двигателя; на фиг. 5 пример выполнения трехфазной передачи с промежуточным отбором мощности от несимметричной линии.

Q Трехфазная передача (фиг. 1) состоит из несимметричного источника 1, несимметричной нагрузки 2 и несимметричной линии 3, состоящей из двух проводов, имеющих соответственно сопротивления 2д и 2ц, и сопутствующего электропроводного объекта 4

(например, рельсы), имеющего сопротивление ZP , подключеннохх) между источНИКОМ и нагрузкой и выполняющего роль третьего провода в трехфазной

0 передаче. Сопротивления 2д, 20И ZQ

включают активные и реактивные составляющие, причем в общем случае

1 ZB Ф Zr..

(1)

Взаимные индуктивности Мдц, Mgp и между двумя проводами и сопутствующим электропроводным объектом не равны между собой МАБ MBC w (2). Источник выполнен с несимметричной системой трехфазных напряженки. С этой целью статорные обмотки, например синхронного генератора, имею неодинаковые числа витков по фазам и смещены так, что оси этих обмоток находятся между собой под углами, отличными от 2 ТЬ/З . Статорные обмот ки такого источника намотаны проводами с различными площадями попереч ных сечений. Поэтому в несимметричном источнике внутренние сопротивле ния 2д(1,) , ZB(J) и ZCCM) не равны между собой, причем, если сопутствующий электропроводный объект вклю чает в фазу С, то имеет место неравенство2С(И) 2д(ч ; Zc(u) 2в(„; (3) Аналогичные (3) соотношения хара терны для несимметричной нагрузки. Работа трехфазной передачи происходит следующим образом. При уравновешенном режиме несимметричной линии токи и напряжения по фазам не равны между собой. Урав новешенный режим имеет место в том случае, если коэффициент 8 несиммет рии напряжении равен с отрицательны значением коэффициенту S несиммет.рии токов в любой точке линии + О,в том числе в начале и конце ее. Если изобразить систему линейных напряжений и токов в виде треугольников в начале несимметричной линии то в любом ее сечении при уравновешенном режиме имеют место системы напряжений и токов, которые изображаются треугольниками, подобными треугольникам в начале линии. Кроме того, треугольники падений напряжений на внутренних сопротивлениях источника, сопротивлениях несимметричной линии и сопротивлениях нагру ки также между собой подобны. Величина должна при этом быть рассчитана с учетом сопротивлений и взаимных индуктивностей несимметрич ной линии. При выполнении (3) в любой точке линии.и несимметрично изготовлении источника и нагрузки, во всех элементах передачи (источнике, линии и нагрузке) имеет место уравновешенный режим. Несимметрия трехфазных напряжений оценивается коэффициентом несимметрии 8,равным отношению - ш где О и Uj- симметричные составляющие напряжений в фазе А, причем V --T VAB «VBc aVcA). Уг- ilVAB Bc VcA)Несимметрия трехфазных токов оценивается коэффициентом б{ анало-. гично (4) и (5). Под воздействием несимметричной системы напряжений (Ц и и) источника в сопротивлениях несимметричной линии 2/ , Zg, Z. и несимметричной нагрузки 2д(цJ,Zg/ц и Zf;) протекают несимметричные токи, которые можно разложить на составляющие прямой Ч и обратной tij последовательностей. Неуравновешенный режим характеризуется наличием в данной точке линии пульсирующей мощности N, равной N , + . (6) При достижении уравновешенного режима пульсирующая мощность равна нулю. Разделив (6) на , получаем условие уравновешенности режима в трехфазной системе .f-i (7) Условие (7) должно быть справедливо как по отношению ко всей передаче в целом, так отношению к ее частям (источнику, линии и нагрузке) . Однакоу условие (7) не может быть выполнено при всех значениях , зависящих от исполнения источника, и не при всех вариантах выполнения несимметричной нагрузки, а лишь пои отдельном значении коэффициента неримметрии напряжений источника и вполне определенном соотношении между величинами сопротивлений нагрузки. Такое значение f называется согласованнь1м и определяется сопрогивлениями несимметричной линии и взаимными индуктивностями между ее проводами. Для определения согласованного значения , кроме (7) , необходимо привести систему уравнений, описывающих режим передачи при несимметричных источнике, линии и нагрузке ., (8) Г-Гс-Гв. r., ричем c-i(). B-fKB M., c-i() (M,,oM,.), с:()-. В выражении (8) Ди и AUj симетричные составляющиепрямой и братной последовательностей падений апряжений на сопротивлениях 2д,г

и i.(. Разделив почленно правое уравн..нио (8) на левое, получаем

с . yj-

С9;

ли , I.,.

Кроме того для линии справедливо i 01. (10)

Уравнения (9) и (10) образуют систему уравнений первой степени с двумя неизвестными. Решив ее, найдем согласованное значение коэффициента несимметрии

°±л/(Г)

(11)

uU

которое с учетом (7) и (10) равно .

Условие (7) и (10) должно выполняться в источнике и нагрузке, последние должны быть выполнены несимметричными. В этом случае в источнике и нагрузке, в качестве которых могут быть использованы синхронные машины, ibieeT место уравновешенный режим (отсутствие эллиптичности вращающегося магнитного поля, механические фибрации удвоенной частоты сети,, Перегревы обмоток и т.д.).

Схема трехфазной передачи (фиг.2) содержит несимметричный источник 1, несимметричную нагрузку 2 и несимметричную линию 3. Несимметричный источник 1 состоит из симметричного источника 4 и трансформатора имеющего симметричную 5 и несимметричную б группы обмоток. Такое выполнение несимметричного источника позволяет согласовать уравновешенный режим несимг«1етричной линии и уравновешенный режим симметричного источника .

В этом случае должны выполняться условия, уравновешивания (7), (10) н (11) с той разницей, что вместо параметров несимметричной линии 3 в (8) и (11) должны быть подставлены параметры несимметричной 6 группы обмото ; трансформатора. Очевидно, что для выполнения (7), (10) и (11) обмотки 6 трансформатора должньа содержать неодинаковое количество витков и быть выполнены проводами с различной площадью поперечного сечения, при этом соотношение между количеством витков в несимметричной группе 6 определяется величиной несимметрии и ее фазным углом из (11)/ а величины площадей сечений обмоток соответствующими токами, соотношение между которыми устанавливается с помощью (7).

Трехфазная электропередача (фиг.З содержит несимметричный источник 1, несимметричную линию 3 и несимметричную нагрузку 2, состоящую из симметричной нагрузки 4 и согласующего

трансформатора с симметричной 5 и несимметричной 6 групп обмоток. На. входе трансформатора коэффициент несимметрии напряжений определяется выражением (11), а на выходе трансформатора он равен нулю. Несимметричная группа обмоток 6 имеет неодинаковое количество витков и намотан проводами, имеющими различные величины площадейпоперечных сечений. Такое выполнение передачи также позволяет создать уравновешенный режим для всех частей электропередачи независимо от величины и фазного угла нагрузки.

Схема трехфазной передачи (фиг.4 состоит из несимметричного источника 1, несигФ1етричной нагрузки 2 и линии 3. Несимметричный источник выполнен из трансформатора с симметричной 5 и несимметричной б группами обмоток и сим1ч1етричного источника, в качестве которого использованы зажимы А, В и С трехфазной симметричной сети 4. Несимметричная нагрузка выполнена в виде двигателя переменного тока, имеющего различно количество витков Нд, Wg и (-. в обмотках статора. В этом случае оси обмоток находятся под углами ci д и отличными от 27Г/3 / как это принято у симметричных машин переменного тока. Для достижения уравновешенности режима всех частей передачи, кроме выполнения (7) и (11), необходимо, чтобы отношение числс витков обмоток статора было ра в но

A вV f/° -« /a.

и углы d-Aa и сСдс между осями обмото статора составляли

d.

ai-g-()qrg(a%ae);

АБ

с1

дс-аг(1+6)-аг().

Ротор такого двигателя выполнен симметричкьЦЛ и не отличается от обычного исполнения (корбткозамкнутого или с обмоткой). При таком исполнении трехфазного двигателя в нем отсутствуют пульсации крутящего момента и мощности на валу. Кроме того, двигатель обеспечивает уравновешенный режим всей линии при изменении нагрузки на его валу. В случае, если ротор выполнен подмагничиваемым как у синхронной машины, то несимметричный двигатель может в таком случае выполнить роль несимметричного источника, так как его коэффициент несимметрии по напряжению является согласованным с сопротивлениями несимметричной линии. В этом случае двигатель и генератор в несимметричной передаче являются обратными. Электропередача, представленная на фиг. 5, состоит из несимметричного источника 1, участков несиммет ричной линии 3 и несимметричных нагрузок 2. Узлы 4 и 5 являются пун тами промежуточного отбора мощности Для передачи характерно несимметричное исполнение всех элементов (источника, линии и нагрузки). Во всех элементах этой разветвленной передачи имеет место уравновешенный режим. В случае подключения к такой линии передачи однофазных нагрузок для компенсации неуравновешенности необходимы специальные симметрирующ устройства, как и в обычной симметричной трехфазной сети. Эффективность использования данного изобретения заключается в сниж нии капитальных и эксплуатационных затрат трехфазных передач, линия пе редачи которых выполнена несимметри ной. Согласно изобретению для передел ки существующих передач, включающих линии два провода - рельс, необходима только перемотка обмоток транс форматоров (первичных либо вторичны А для использования передачи совместно с линией два провода - труба необходимо перемотать вторичную обмотку трансформатора и статорную об мотку электробура или погружного электронасоса. Экономический эффект при внедрении передачи вместо существующей по линии два провода - рельс состав ляет 500-1000 р. в год при протяженности передачи 5-15 км. Формула изобретения 1.Электропередача, содержащая источник трехфазных напряжений, трех фазную нагрузку и несимметричную линию, выполненную из двух проводов и электропроводного объекта, выполняющего роль третьего провода, о тличающаяся тем, что, с целью обеспечения уравновешенного режиму работы электропередачи при лю бых значениях величины и фазного угла нагрузки и повышения пропускной способности электропередачи, трехфазный источник и нагрузка выполнены несимметричными по фазам. 2.Электропередача по п. 1, о т-. личающаяся тем, что внутренние сопротивления источника 2д(ц) 2п(и) и гс(и), сопротивления нагрузки ZACH, , ZB(H) , и коэффициент несимметрии напряжения трехфазного источника связаны следующими соотноиениями:А(и) c(.w) eCriV V-IHV ,.. °.,..2а,;; Гс- i (.в с) в (. ). (.-«,д) c4( ( где Зд,2цИ Z - сопротивления линии электропередачи; взаимные индуктивности линии электропередачи;Ш- круговая частота сети;d - фазный, оператор, раз И2ГГ/ Г; J - мнимая величина равная -V . 3.Электропередача по п. 1, отличающаяся тем, что несимметричный источник выполнен в виде последовательного соединения симметричного трехфазного источника и трехфазного трансформатора, имеющего симметричную и несимметричную группы обмоток, причем симметричный источник соединен с симметричной группой обмоток, 4.Электропередача по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что несимметричная нагрузка выполнена и в виде последовательного соединения симметричной трехфазной нагрузки и трехфазного трансформатора, имеющего симметричную и несимметричную группы обмоток, причем симметричная группа обмоток соединена с симметричной нагрузкой. 5.Электропередача по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения установленной мощности передачи, в качестве несимметричной нагрузки использован трехфазный двигатель, статорные обмотки которого выполнены неодинаковыми по количеству витков и расположены ежду собой под углами и (- , отличными от 2Tt/3 , при этом числа витков обмоток связаны между собой ледующим соотношением: .g-.(t/:|a-a4/. AB ° V -arg-ta + ae), т1 д, f)-cir (а- о е X где W :Wg:Wj, - числа витков статорных обмоток. Приоритет по пунктам 13.04.79 по пп. 2-5. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.-Л., ГЭИ 1958, с. 54. 2.Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. ГЭИ, 1958, с. 73, 265. 3. Эффендиэаде А.А., ЛистенгартЬн . Исслелование режима работы электробура при питании по системе два провода - труба.- Известия ВУЗов, Нефть и газ , 1963, № 10, с.93-96. 4« Венер П.П. Электропередача два провода - земля.-Электричест, 1933, 20. 5 Титов А.И. Симметрирование напряжений с помощью емкости в системе ДПР (два провода - рельс).-Вестник Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, 1965, с. 40-43.