Электропередача

 

Союз Сьеетсиих

Социалистических

Республик

О П И С А Н И ЕИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (и> 855848 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 150570 (2! ) 1442284/24-07 (51) и. K . с присоединением заявки ¹ 2752797/07

Н 02 ) 3/00

Государстаенныб коюитет

СССР по делаю изобретенкй н открытнй (23) ПРиоРитет 13.04.79

Опубликовано 150881.Бюллетень № 30

Дата опубликования описания 150881 (53) УДК 621. 311. 4. .01б.313(088.8} (72) Автор изобретения

A.Ä. Музыченко

Институт электродинамики Ad украинской CCP.(71) Заявитель

-(54 } ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧА

Изобретение относится к электро= технике, а именно к системам электропередачи и системам питания электрических сетей, в частности к электрическим сетям, снабженным устройствами для устранения асимметрии напряжений и токов в сетях.

Известна двухфазная передача электрической энергии, содержащая симметричный двухфазный источник, симметричную двухфазную нагрузку и линию передачи, состоящую из четырех проводов (1), Недостаток ее - большое количество проводов. 1S

Известна симметричная трехфазная передача электрической энергии, содержащая симметричный трехфазный источник, трехфазную симметричную нагрузку и симметричную линию передачи, 2О состоящую из трех проводов (2).

Недостатком ее является больщое количество проводов.

Известна трехфаэная передача .электрической энергии, содержащая симметричный трехфазный источник, симметричную трехфазную нагрузку и несимметричную линию передачи, состоящую иэ двух:проводов и одного сопутствующего электропроводящего,объекта. В качестве сопутствующего электропроводяцего объекта используются рельсы, трубы, земля, корпуса и т.д. Сопутствующий злектропроводящий объект выполняет роль третьего провода трехфазной линии передач.. (3) и (4) .

В результате того, что два провода и сопутствующий злектропроводящий ,объект имеют различные по величине активные сопротивления, а также собственные и взаимные индуктивности, на приемном конце линии, называемои в этом случае несимметричной, возникает неуравновешенный режим, сопровождающийся появлением несимметрии напряжений и токов на симметричной 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 электрической энергии, содержащая трехфазный симметричный источник, симметричную трехфазную нагрузку, несимметричную линию, состоящую из двух проводов и сопч тствчющего

85584 алектропроводящего объекта, и устройство для симметрирования трехфаэных напряжений в конце линии (5).

Однако н источнике и линии такой передачи имеет место неуравновешенный режим, зависящий от величины и фазного угла симметричной нагрузки.

Иэ-за наличия симметрирующего устройства, обеспечивающего уравновешенный режим только нагрузки, передача имеет 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 нагрузки, повышение надежности передачи и снижение ее стоимости, Эта цель достигается тем, что н электропередаче, содержащей источник трехфаэных напряжений, трехфазную нагрузку и несимметричную линию, состоящую иэ двух проводов и сопутствующего электропроводного объекта, трехфаэные источник и нагрузка выполнены несимметричными по фазам, причем соотношения-между внутренними сопротивлениями ЕА(u) ZB(u) и ЕС(„) фаэ источника, соотношения между сопротивлениями ZÀ(Í), Е В(„) и ЕС(н трехфаэной нагрузки и коэффициент 6 .несимметрии напряжений трехфазного источника являются функциями сопротивлений ZA, ЕВ, Е и взаимных индуктинностей М АВ, МВС и МСА несимметричной линии передачи, а именно:

:Z :2 =2 :2 :7. = 40

A«) В(и) С() A(H) zB(H) с(н)

1 Е а пп +Е

1-а а-Е а -

С целью уменьшения установленной

35 мощности передачи в качестве несимметричной нагрузки использован трехфазный двигатель, статорные обмотки которого выполнены неодинаковым по количеству ниткон и расположены между собой под углами a дв, сК АС от20 .личными от 2 ®/Ъ, при этом числа витков обмоток связаны между собой следующим соотношением:

d0 с "8 с а В> с " в о с 5 А в с В 34 AB Вс cA/ (с= — (zA+а2 +а z );

)ОЗ /

= — М +а 9 +сРм

В З АВ ВС СА! где (у — круговая частота сети) а — фазиый оператор(С(= б " )>

) — мнимая величйна () = /: ).

При этом несимметричный трехфазный источник может быть выполнен в виде последонательного соединения симметричного трехфазного источника

8 4 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.

А В С=/ +Е/: /а +Ес /:/а Еа /, (АВ= а у (О )-см"д(а а );

Ас =а у(- +с) -uvg (а «а.g).

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

Трехфазная передача (фиг. 1) состоит из несимметричного источника 1, несимметричной нагрузки 2 и несимметричной линии 3, состоящей из двух проводов, имеющих соответственно сопротивления ZA и Z и сопутствующего электропроводного объекта 4 (например, рельсы), имеющего сопротивление Е, подключенного между источ ником и нагрузкой и выполняющего роль третьего провода н трехфазной передаче .. Сопротивления ZA, Z В и ЕС включают активные и реактинные составляющие, причем в общем случае

Ф ZZS S° (1)

Взаимные индуктивности МАВ Мвс и МСА между двумя проводами и сойут855848 ствующим электропроводным объектом не равны между собой мфти + мыс ™ср, (2), Источник выполнен с несимметричной системой трехфазных напряжений.

С этой целью статорные обмотки, например синхронного генератора, имеют неодинаковые числа витков по фазам и смещены так, что оси этих обмоток находятся между собой под углами, отличными от 2 ) /3 . Статорные обмотки такого источника намотаны проводами с различными площадями поперечных сечений. Поэтому в несимметричном источнике внутренние сопротивления ЕА(и), Ев(и) и ЕС(и) не paBHbl между собой, причем, если сопутст- 15 вующий электропроводный объект включает в фазу С, то имеет место неравенство

Z („) < Z «», Z«„) ЕВ(„) (3)

Аналогичные (3) соотношения харак- Я терны для несимметричной нагрузки.

Работа трехфазной передачи происходит следующим образом.

При уравновешенном режиме несимметричной линии токи и напряжения по фазам не равны между собой. Уравновешенный режим имеет место в том случае, если коэффициент F несимметрии напряжений равен с отрицательным значением коэффициенту Е несимметрии токов в любой точке линии Я + — 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 40 того, треугольники падений напряжений на внутренних сопротивлениях источника, сопротивлениях несимметричной линии и сопротивлениях нагрузки также между собой подобны. Величина E должна при этом быть рассчитана с учетом сопротивлений и взаимных индуктивностей несимметричной линии.

При выполнении (3) в любой точке линии и несимметричном изготовлении источника и нагрузки, во всех элементах передачи (источнике, линии и нагрузке) имеет место уравновешенный режим. Несимметрия трехфазных напряжений оценивается коэффициентом1 .несимметрии Я,равным отношению

Уд. (4)

Ц, где U u U — симметричные составляю- 60

2 щие напряжений в фазе А, причем

У2 Ъ АЬ )ВС СА) Несимметрия трехфазных токов оценивается коэффициентом 6; аналогично (4) и (5). Под воздействием несимметричной системы напряжений (U и V ) источника в сопротивлениях несимметричной линии Zp,, Zв, ЕС и несимметричной нагрузки ZA0,),ZB(4) и ЕС(н) протекают несимметричные токи, которые можно разложить на составляющие прямой 1.(и обратной последовательностей. Неуравновешенный режим характеризуется наличием в данной точке линии пульсирующей мощности N равной

4 2 2 1 (6)

При достижении уравновешенного режима пульсирующая мощность равна нулю. Разделив (6) на U 3,(, получаем условие уравновешенности режима в трехфазной системе

О.. (7)

Условие (7) должно быть справедливо как по отношению ко всей передаче в целом, так и по отношению к ее частям (источнику, линии и нагрузке). Однако, условие (7) не может быть выполнено при всех значениях k зависящих от исполнения источника, и не при всех вариантах выполнения несимметричной нагрузки, а лишь пои отдельном значении коэффициента несимметрии напряжений источника Я и вполне определенном соотношении между величинами сопротивлений нагрузки. Такое значение называется согласованным и определяется сопротивлениями несимметричной линии и взаимными индуктивностями между ее проводами. Для определения согласованного значения Я, кроме (7), необходимо привести систему уравнений, описывающих режим передачи при несимметричных источнике, линии и нагрузке В +2с В +о В причем

,= -,(Е, 7 ° 2 ), АВ ЭС СА1) — (z о2 az );

1В g (> +a м +ам ) В выражении (8) Ь() и ьБ симметричные составляющие-прямой и обратной последовательностей падений напряжений на сопротивлениях ZA,Z>

855848 я ".,,- . Разделив почленно правое уравн ня» (8) на левое, получаем ьО; Ч+

Кроме того, для линии справедливо

)8„„+, = 01, (10)

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

-.огласованное значение коэффициента несимметрии (11) 15 которое с учетом (7} и (10) равно

Условие (7) и (10) должно выполняться в источнике и нагрузке, последние должны быть выполнены несим- 20 метричными. В этом случае в источнике я нагрузке, в качестве которых могут быть использованы синхронные машины, имеет место уравновешенный режим (отсутствие элляптичности вращающегося магнитного поля, механические вибрации удвоенной частоты сети,, перегревы обмоток я т.д.).

Схема трехфазной передачи (фиг.3) содержит несимметричный источник

1, несимметричную нагвчзку и

2 ,Э несимметричную линию 3. Несиммет— ричный источник 1 состоит яз симметричного источника 4 и трансформатора„ имеющего симметричную 5 и несимметЗ5 ричную 6 группы обмоток. Такое выполнение несимметричного источника позволяет согласовать уравновешенный режим несимметричной линии и уравновешенный режим симметричного источника. 40

В этом случае должны выполняться условия, уравновешивания (7), (10) я (11) с той разницей, что вместо параметров несимметричной линии 3 в (8) и (11) должны быть подставлены Bàраметры несимметричной 6 груп;Iû обмоток трансформатора. Очевидно, что для выполнения (7), (10) и (11) обмотки 6 трансформатора должны содержать неодинаковое количество вит— ков и быть выполнены проводами с различной площадью поперечного сечения, пря этом соотношение между количеством витков в несимметричной группе 6 определяется величиной несимметрия и ее фазным углам из (11), а величины площадей сечений обмоток соответствующими токами, соотношение между которыми устанавливается с помощью (7).

Трехфазная электропередача (фяг. 3) 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 намотана проводами, имеющими различные величины площадей поперечных 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, несимметричной нагрузки 2 и линии 3. Несимметричный источник выполнен из трансформатора с симметричной 5 и несимметричной 6 группами обмоток и симметричного источника, в качестве которого использованы зажимы А, В и С трехфазной симметричной сети 4. Несимметричная нагрузка выполнена в виде двигателя переменного тока, имеющего различное количество витков Wp,, N В и ИС в обмотках статора. В э — îì случае оси обмоток находятся под углами я С АС, отличными от 2(Г(, как это принято у симметричных машин переменного тока. Для достижения уравновешенности режима всех частей передачи, кроме выполнения (7) и (11), необходимо, чтобы отношение числа витков обмоток статора было рав но (А (В (" ((о aE(:(ñ с / и углы с АВ и Д.дс между осями обмоток статора составляли

Ротор такого двигателя выполнен симметричным и не отличается от обычного исполнения (короткозамкнутого 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 согласованныч с сопротивлениями несимметричной линии. В этом случае двигатель и генератор

855848

10 в несимметричной передаче являются обратными.

Электропередача, представленная на фиг. 5, состоит иэ несимметричного источника 1, участков несимметричной линии 3 и несимметричных

5 нагрузок 2. Узлы 4 и 5 являются пунктами 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 симметрирующие устройства, как и в обычной симметричной трехфазной сети.

Эффективность использования данного изобретения заключается в снижении капитальных и эксплуатационных 20 затрат трехфазных передач, линия передачи которых выполнена несимметричной.

Согласно изобретению для переделки существующих передач, включающих 5 линии два провода — рельс, необходима только перемотка обмоток трансформаторов (первичных либо вторичных).

A для использования передачи совместно с линией два провода — труба необходимо перемотать вторичную обмотку трансформатора и статорную обмотку электробура или погружного электронасоса.

Экономический эффект при внедрении передачи вместо существуюшеи по линии два провода — рельс составляет 500-1000 р. в год при протя- женности передачи 5-15 км.

Формула изобретения

1. Электропередача, содержащая источник трехфазных напряжений, трехфазную нагрузку и несимметричную 45 линию, выполненную иэ двух проводов и электропроводного объекта, выполняющего роль третьего провода, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью обеспечения уравновешенного ц режима работы электропередачи при любых 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-. л и ч а ю щ а я с я тем, что внутренние сопротивления источника ZA ), ЕВ(ц) и ZC(H) I сопротивления нагрузкй Z A(u) Е В(,), Ес (К) и коэффиЦИЕНт 60 несимметрии Е напряжения трехфазного источника связаны следующими соотно аениями:

Z 2:2 =Z:2 .Z

А(и) В(и) С(и) А1н Р(н Cle> +a, c2+ Е . а+ о 2),)z,, а-Е

tI с в g с ;1"=1",+2аУц, I с= — (2д а2 о 2 ); — (М а М та 2М ) я,= —,(z„k .>>z z), где A ЕВи Š— сопротивления линии электропередачи;

ИА .М и М А- взаимные индуктивности линии электропередачи;

Ю вЂ” круговая .частота сети; с — фазный оператор, равныg e, > < + )

I мнимая величина равная /1

3. Электропередача по и. 1, о тл и ч а ю щ а я с я 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 ?, 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 между собой под углами с АВ и сЕАс, отличными от 2 г(3, при этом числа витков обмоток связаны между собой следующим соотношением: А В ) с / +Е(:!а +с / /а-с1 Е/ д. А б = а2 Я О+ Е ) -or g. (c2 2+ с1 Е

= а (+ f ) - а го. (а ° а 2 e )

855848

5 г

Qua. 7 где ИА:N :Ис — числа витков статорных обмоток.

Приоритет по пунктам

13.04.79 по пп. 2-5.

Источники информации, 5

Принятые во внимание при эк пертизе

1. Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.-Л., ГЭИ, 1958, с. 54. IO

2. Веселовский О.Н. Михаил Осипо вич Доливо-Добровольский. ГЭИ, 1958, с. 73, 265.

3. Эффендизаде А.А., Листенгартон À. Исследование режима работы электробура при питании по системе два провода — труба. — Известия ВУЗов. Нефть и гаэ, 1963, 9 10, с.93-9б, 4. Венер П.П. Электропередача два провода — земля.- Электричество, 1933, 9 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.

855848

4èå. 5

Тираж 675 Подп ис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 6956/78

Филиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Л. Дементьева

Редактор Т. Парфенова Техред М. Рейвес Корректор М. Демчик