Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях - Организация искусственного нулевого провода

Организация искусственного нулевого провода при подключении системы электропитания к трехфазной трехпроводной сети
При рассмотрении вопросов построения универсальных систем электропитания РЭК следует учитывать возможность их подключения как к трех-, так и четырехпроводным сетям переменного тока, а также к автономным источникам электроэнергии. Применительно к судовым и корабельным СВЭП, питание которых осуществляется от трехпроводных сетей напряжением соответственно 220 и 380 В, возможны различные варианты построения СВЭП в зависимости от схемной реализации входных и выходных звеньев. Так, для рассмотренных в предыдущем параграфе судовых СВЭП с учетом уровня напряжения промежуточной сети постоянного тока (400 В) (см. рис. 6.2) и существующей элементной базы, возможно применение трехфазных преобразователей сетевого напряжения, которые не требуют создания искусственной нулевой точки. Для корабельных СВЭП, у которых уровень указанного постоянного напряжения составляет 700 В, требуется создание искусственной нулевой точки и применение других схем сетевых преобразователей, которые могут быть практически реализованы на существующей элементной базе.
В случае четырехпроводной сети в качестве входного звена СВЭП используется набор идентичных однофазных модулей на основе преобразователей переменного напряжения в постоянное с принудительным формированием кривой потребляемого тока (рис. 6.1). Очевидно, что данная СВЭП рассчитана на работу от трехфазных сетей переменного тока с нулевым проводом, а в корабельной (судовой) СЭС нулевой провод отсутствует. Поэтому для питания указанной СВЭП от трехфазной трехпроводной электрической сети необходимо предусмотреть возможность организации искусственного нулевого провода. Данная задача может быть решена с использованием фильтров токов нулевой последовательности (ФТНП).
Для исследования вопроса о возможности использования ФТНП в качестве средства для создания искусственной нулевой точки напомним его некоторые конструктивные особенности. Устройство представляет собой трехстержневой электромагнитный аппарат, на стержнях которого расположены магнитосвязанные полуобмотки, включенные по схеме встречный зигзаг.

Рис. 6.3. Схема подключения ФТНП к трехпроводной сети для организации искусственного нулевого провода
Поскольку начала первых полуобмоток включаются непосредственно на фазные напряжения, устройство должно иметь достаточно высокое сопротивление прямой последовательности, чтобы свести до минимума потери холостого хода при его включении параллельно нагрузке. Начала вторых полуобмоток соединяются между собой и подключаются к общей точке трехфазной нагрузки (нулю СВЭП), что фактически означает создание искусственного нулевого провода.
Конструктивно (соотношение размеров магнитопровода, схема соединения и исполнение обмоток) ФТНП выполнен таким образом, чтобы снизить до минимума сопротивление нулевой последовательности при максимально возможном сопротивлении прямой последовательности. В этом случае обеспечивается эффективная стабилизация нулевой точки даже при существенной несимметрии фазных нагрузок. Очевидно, что наряду с выполнением указанной функции — формированием стабильной искусственной нулевой точки, данное устройство остается эффективным фильтром токов нулевой последовательности (гармоник токов, кратных трем) и способно демпфировать несимметричные по фазам колебания напряжения и симметрировать фазные напряжения при неравномерной загрузке фаз.

Рассмотрим схему подключения ФТНП к трехпроводной сети для организации с его помощью искусственной нулевой точки. На рис. 6.3 представлен фрагмент трехфазной трехпроводной СЭС, питающей однофазные нагрузки Za, Zb, Zc..
Сопротивления линии Z„, и Ζ„2 в данном случае существенного влияния на работу ФТНП не оказывают. Ток нулевой последовательности I° составляет одну треть тока небаланса в точке 0 рассматриваемой системы, т. е. 1/3 суммы фазных нагрузочных токов Ia + Ib + 1c. Результирующий ток на участке нулевого провода 00' равен утроенному току нулевой последовательности. Каждая из полуобмоток ФТНП имеет сопротивление г +jXL. Вследствие симметричной структуры устройства эти сопротивления равны. Кроме того, конструктивные особенности обеспечивают минимальное сопротивление рассеяния обмоток, поэтому, пренебрегая последним, можно считать, что представляет собой полное реактивное сопротивление полуобмотки.

Таким образом, составляющие нулевой последовательности тока и напряжения связаны между собой в соответствии с законом Ома, т. е. напряжение U0 в нашем случае зависит от тока I° и активного сопротивления R.
Создание абсолютно стабильной нулевой точки предполагает выполнение условия U0 = 0. Реально нам необходимо определить допустимое смещение данной точки или допустимое значение напряжения нулевой последовательности U0, при котором возможна нормальная работа СВЭП. Токи холостого хода ФТНП практически равны по значению, поэтому они не оказывают существенного влияния на смещение нулевой точки.
Нормальная эксплуатация однофазных потребителей с точки зрения допустимой несимметрии напряжений возможна в том случае, если U0 < 4 %. Поскольку несимметрия линейных напряжений судовой (корабельной) трехпроводной сети допустима в пределах ±2 %, выберем в качестве исходного для разработки устройства более жесткое условие U0 < 3 % или U° 7В при фазном напряжении сети 220 В. Для расчета допустимого активного сопротивления устройства рассмотрим параметры аварийного режима, когда в нулевом проводе протекает ток, равный фазному току Iф (это возможно при выходе из строя одного или двух входных однофазных модулей). В результате анализа указанного режима можно определить соотношение между мощностью СВЭП и установленной мощностью устройства для организации искусственного нулевого провода.
Рассмотрим конкретный пример выбора установленной мощности ФТНП при мощности нагрузки 4 кВт. Тогда в учитываемом аварийном режиме при фазном токе нагрузки Iф = 6А ток нулевой последовательности 1° = 2А. Отсюда допустимое сопротивление обмотки, при котором не превышается регламентируемое значение U°= 7В, R = U°/f° = 3,5 Ом. Более жестким критерием для выбора установленной мощности устройства является допустимая нагрузка по току. При этом с учетом условий нормальной теплоотдачи электромагнитного устройства сухого типа допускается для медных обмоток максимальная плотность тока 2 А/мм2.

ТАБЛИЦА 6.4
Конструктивные параметры устройств для организации искусственного нулевого провода

Таким образом, в рассматриваемом случае намотку можно производить медным проводом сечением 1 мм2. Результаты расчета конструктивных и электрических параметров трех типоразмеров устройств для организации искусственного нулевого провода при мощности нагрузки 4, 8 и 12 кВт соответственно представлены в табл. 6.4 и 6.5.
Установленная мощность ФТНП, как устройства с электромагнитными связями, определяется по формуле [109]

где — полная мощность полуобмотки; — фазное напряжение на полуобмотке (при фазном напряжении сети 220 В -127 В). Например, в случае, когда мощность СВЭП равна 4 кВт, установленная мощность устройства Sуст = 0,762 кВт. В результате проведенных расчетов получаем, что максимальное относительное смещение нулевой точки во всех трех случаях не превышает 3%.
Таким образом, разработанные устройства, параметры которых приведены в табл. 6.4 и 6.5, можно использовать для организации искусственного нулевого провода в СВЭП с улучшенной ЭМС.  

Электрические параметры устройств для организации искусственного нулевого провода

Для дальнейшей оптимизации размеров указанных устройств необходимо дополнительно исследовать, в частности, возможное влияние несимметрии линейных питающих напряжений, а также характера нагрузки и степени загруженности фаз.