Способ для определения параметров тока и причины их искажения при подаче переменного рабочего напряжения на нелинейные сопротивления

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при учете электрической энергии и анализе процессов, происходящих в электрических сетях переменного тока. Способ основан на построении кривой разницы напряжений, изменяющихся с частотой 50 и 100 Гц, и сравнении ее формы с формой кривой тока в цепи с нелинейным сопротивлением. При этом сигнал на осциллограф для построения кривой тока подают с токоизмерительных клещей без резистора, шунтирующего выход токоизмерительных клещей. Также измеряют начальные фазы тока относительно подаваемого рабочего напряжения при различных напряжениях на нелинейном сопротивлении. По полученным данным судят о наличии в цепи с нелинейным сопротивлением тока с частотой 100 Гц, о наличии искажения результатов измерения фазы тока резистором, шунтирующим выход токоизмерительных клещей, и о наличии тока с частотой 50 Гц, вектор которого перпендикулярен вектору напряжения, подаваемого на нелинейное сопротивление. Результатом способа является повышение точности измерения фазового сдвига между напряжением и током в цепи с нелинейными сопротивлениями и эффективности учета электрической энергии. 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике при учете электрической энергии и решении вопросов при анализе происходящих процессов в электрических сетях переменного тока.

Сущность изобретения состоит в том, что наличие нелинейных сопротивлений в виде катушек со стальными сердечниками и конденсаторов в электрических сетях переменного тока, вызывает возникновение не только тока, изменяющегося с частотой 50 Гц, но и тока с частотой 100 Гц, а так же в том, что подача падения напряжения на измерительные приборы с резистора, по которому протекает ток, искажает действительные параметры этого тока.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ для определения параметров электрических цепей с индуктивностью и емкостью [1].

Недостатком известного способа является то, что реактивные токи в электрических сетях переменного тока промышленной частоты f=50 Гц так же приняты изменяющимися с частотой 50 Гц. Эти токи на векторных диаграммах совпадают с линией, перпендикулярной к вектору подаваемого напряжения.

Известно, что нелинейные сопротивления являются генераторами высших гармоник [1].

Однако считалось, что реактивные токи в электрической сети промышленной частоты так же изменяются с той же частотой, чего в действительности не происходит. При этом упоминается только намагничивающий ток, вектор которого совпадает с осью, перпендикулярной к вектору переменного напряжения. В то же время нет объяснения, как размагничивается электротехническая сталь и какой ток осуществляет это размагничивание. Очевидно, что если сталь намагничивается, то обязательно должен происходить процесс ее размагничивания. В противном случае при насыщении и перемагничивании стали без ее размагничивания исключается возможность функционирования многих электрических аппаратов.

Значительным недостатком широко известного прибора ВАФ-85М [2] является то, что все пределы связаны с делителями напряжения на резисторах. Поэтому при протекании чисто реактивного тока угол между этим током и подаваемым напряжением всегда будет равным 90°.

Цель изобретения - повышение эффективности учета электрической энергии, точности измерения фазового сдвига между подаваемыми напряжением и током нелинейных сопротивлений и объективной ориентации при решении технических задач, как, например, намагничивается и размагничивается магнитопровод, этим самым обеспечивая синусоидальность напряжения на вторичной обмотке всех трансформаторов.

Указанная цель достигается тем, что устанавливается процесс возникновения при реактивной нагрузке не только известного реактивного тока, изменяющегося с частотой 50 Гц, но и токов, изменяющихся с частотой 100 Гц, а также влияния резистора в цепях измерения с нелинейными сопротивлениями на искажение параметров тока.

На фиг.1 для наглядного представления о взаимосвязи значений ωt (основная частота) и 2ωt (частота 100 Гц) построены соответствующие этим частотам кривые. Построение выполнено при вращении оси проекций по часовой стрелке, а радиус-векторы остаются неподвижными. Результаты построения также используются при анализе происходящих процессов в электрической сети с реактивной нагрузкой.

Период полного цикла Т для частоты 100 Гц, равный 0,01 с, в два раза меньше периода Т для частоты 50 Гц - 0,02 с. Подобное соотношение не сохраняется для всех точек оси абсцисс, равноудаленных от нулевой точки оси координат.

На фиг.2 с учетом данных фиг.1 выполнено построение синусоидальных кривых напряжения, изменяющихся с частотой 50 Гц (кривая 1) и 100 Гц (кривая 2).

Кривая 3 построена по значениям разницы мгновенных значений напряжений кривых 1 и 2 для напряжений, равных: a) U₂=0,25U₁, б) U₂=0,5U₁, в) U₂=U₁=220 B.

Эти кривые полностью совпадают с кривыми тока, изображенными на осциллографе при подаче на катушку (U_н=220 В) со стальным сердечником вышеуказанных напряжений, но при использовании токоизмерительных клещей, у которых выходные электрические цепи не зашунтированы резистором.

Сравнивания кривые 1 и 2 на фиг.3 можно заключить, что наличие резистора при подаче напряжения на осциллограф из состава кривой 2 исключает петлю “а-б-в-г” и приводят к тому, что происходит сдвиг начальной фазы с 60° (кривая 2) на 90° (кривая 1). Эта кривая становится идентичной известной в технической литературе кривой тока при отсутствии потерь в сердечнике катушки, а индуктивность, в которой нет потерь, называется идеализированной индуктивностью.

Для объяснения перемещения начальной фазы кривой 2 с 60° на 90° (кривая 1) и исключения петли “а-б-в-г”(фиг.3) производим на фиг.4 построение кривых мгновенных значений токов и векторных диаграмм токов при подаче синусоидального напряжения на катушку со стальным сердечником. Кривую тока, изменяющегося с частотой 100 Гц, так же принимаем синусоидальной, что может приблизительно соответствовать кривой тока при подаче на индуктивность напряжения, значение которого уменьшены в 10 и более раз от номинального напряжения катушки.

Один из реактивных токов совпадает с линией ординат, а другой ток - с линией абсцисс. При равенстве этих токов, которое может наблюдаться в случае значительного уменьшения подаваемого напряжения на катушку, вектор их геометрической суммы будет отставать от вектора напряжения U на 45°. В действительности ток всегда больше тока . Причем чем больше прилагаемое напряжение, тем больше разница между этими токами.

Для наглядного восприятия взаимосвязи между токами, напряжениями и углами проведены измерения их значений при различных напряжениях. Данные измерения занесены в таблицу.

По данным таблицы построены векторные диаграммы токов , и i_xx (фиг.5). Согласно фиг.5 при угле ϕ, равном 47°, можно принять, что токи и , равны между собой. Следовательно, колебания этих токов с частотой 100 Гц в I квадранте и их равенство предопределят практически полное, необратимое преобразование затрачиваемой электрической энергии в тепловую энергию. Это хорошо согласуется с данными фиг.5, где колебания петли “а-б-в-г” кривой 2 повторяют колебания кривой мощности в цепи с реактивным сопротивлением.

Выводы проведенного выше анализа в полной мере подтверждаются данными измерений устройством “Потенциал-ТВ-М” [3] фазы между напряжением 220 В и током без резистора, равной 58° и с резистором, равной 90°.

На фиг.5 это наглядно изображено. Ток , и равная ему часть тока преобразуются в тепловую энергию на резисторе, и поэтому устройство будет фиксировать вектор оставшегося тока Δ, значение которого равно -. Этот ток изменяется с частотой 50 Гц.

Здесь следует отметить, что при подаче напряжения от номинального и ниже влияние 3-й и 5-й гармоник на кривые тока незначительно и их можно не принимать во внимание.

На фиг.6 при резисторе, шунтирующем выход токоизмерительных клещей, и емкостной нелинейной нагрузке ток опережает на 90° подаваемое напряжение, т.е. устройство фиксирует направление вектора .

При использовании токоизмерительных клещей без шунтирующего их выходные цепи резистора кривые мгновенных значений на экране осциллографа изображены на фиг.7. Причем “звездочка” клещей в этом случае поставлена в сторону емкости или индуктивности, являющихся генераторами реактивного тока. На фиг.3 при построении кривых “звездочка” клещей стояла в сторону источника питания. Начала индуктивной и емкостной кривых тока отстают от точки 0 соответственно на угол 60° и 105°. Отличие состоит в том, что индуктивная кривая имеет отрицательный знак, а емкостная - положительный.

Вследствие противоположного направления токов, изменяющихся с частотой 50 и 100 Гц, происходит их взаимная компенсация. Этот факт при широком использовании конденсаторных батарей и синхронных электродвигателей, работающих с перевозбуждением, позволит резко сократить потери электрической энергии. Это прежде всего связано с тем, что согласно новой трактовке происходящих процессов в электрической цепи переменного тока с индуктивностью и емкостью, компенсируются не только реактивные составляющие тока, совпадающие с линией, перпендикулярной подаваемому напряжению, но и реактивные токи, совпадающие с линией активного тока.

При этом потребитель энергии будет учитывать не только потери в электрических сетях, но и принимать меры по снижению оплачиваемой им реактивной энергии, которая учитывается счетчиком активной энергии, создаваемой токами второй гармоники , посредством использования конденсаторных установок, что позволит повысить КПД электрических сетей, генераторов, уменьшит себестоимость кВт•ч электроэнергии и расход топлива на тепловых электростанциях.

В случае учета электрическими счетчиками активной энергии, поступающей на шины источника питания со стороны потребителя энергии, не следует производить какие-либо перерасчеты. Это связано с тем, что емкостной ток , (фиг.6) будет проходить по всем линиям электропередачи до генераторов, снижая их активную нагрузку. Вследствие этого уменьшится расход топлива на тепловых электростанциях и потери в линиях электропередач.

Одним из наиболее важных вопросов в электроэнергетике является задача создания синусоидальной ЭДС на вторичной обмотке силовых и других трансформаторов.

Главную роль в решении этого вопроса играет ток, изменяющийся с частотой 100 Гц, который вызывает насыщение и размагничивание магнитопровода и, как следствие, обеспечивает синусоидальность ЭДС трансформаторов. Известно, что несинусоидальность напряжения и тока оказывает существенное отрицательное влияние на питающую электросеть: появляются дополнительные потери в сетях, сокращается срок службы изоляции кабелей, эл. машин и аппаратов, затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов.

Одним из основных выводов изменения тока с частотой 100 Гц является установление факта, что ток, совпадающий с осью абсцисс является не намагничивающим током, как представлялось в [1], а размагничивающим током, значение которого неоспоримо велико. Например, известно, что номинальное напряжение - это действующее напряжение, равное 0,707 U_m. При этом значении сталь насыщается, а при напряжении от 0,707 U_m до U_m сталь перемагничивается. При этом кривая тока холостого хода силовых трансформаторов сильно отличается от синусоидальной, но вторичное напряжение остается синусоидальной. Причиной этого на первый взгляд непонятного положительного эффекта является размагничивающий ток.

Литература

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1964 г.

2. Елфимов В.М. Векторные диаграммы в релейной защите. М.: Энергия, 1967 г.

3. Степанов Ю.А. Степанов Д.Ю. Оптимизация измерительного комплекса учета электрической энергии и релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1998 г.

Формула изобретения

Способ для определения параметров тока и причины их искажения при подаче переменного рабочего напряжения на нелинейные сопротивления, отличающийся тем, что при подаче рабочего напряжения на нелинейные сопротивления производят построение кривой разницы значений кривых напряжений, изменяющихся с частотой 50 и 100 Гц, и кривой тока, изображенной на осциллографе, при подаче сигнала с токоизмерительных клещей без резистора, шунтирующего их выходные электрические цепи, измеряют, например, устройством “Потенциал-ТВ-М” начальные фазы тока относительно подаваемого рабочего напряжения при различных напряжениях на нелинейных сопротивлениях с использованием токоизмерительных клещей при шунтируемых и не шунтируемых резистором их выходных электрических цепях и если форма построенной кривой разницы значений кривых напряжений, изменяющихся с частотой 50 и 100 Гц, совпадает с формой кривой тока, изображенной на осциллографе, при использовании токоизмерительных клещей без резистора, шунтирующего их выход, то отмечают изменение тока в цепи с нелинейными сопротивлениями с частотой 100 Гц, а если при увеличении напряжения на этих сопротивлениях до номинального напряжения величина фазы тока относительно подаваемого рабочего напряжения без резистора, шунтирующего выход токоизмерительных клещей, также будет увеличиваться, но при наличии шунтирующего резистора фаза тока постоянного будет равна 90°, то фиксируют искажение резистором результатов измерения величины фазы тока, а также определяют наряду с током, изменяющимся с частотой 100 Гц, наличие тока, изменяющегося с частотой 50 Гц, вектор которого совпадает с линией, перпендикулярной вектору подаваемого напряжения на нелинейное сопротивление, причем ток, изменяющийся с частотой 100 Гц, выполняет функцию намагничивания и размагничивания магнитопроводов, обеспечивая при этом синусоидальность напряжения на вторичных обмотках трансформаторов.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7