Симметрирование (выравнивание) фазных напряжений и нагрузок (устранение перекоса фаз). Устройство: симметрирующий трансформатор ТСТ.

Нагрузка под контролем
10.03.2008
Cимметрирующий трансформатор ТСТ
Симметрирующие трансформаторы
10.03.2008

Устранение перекоса фаз (напряжений), перекоса фазных нагрузок, выравнивание (симметрирование) напряжений (фаз), равномерное распределение нагрузок по фазам питающей сети существенно снижает расход электроэнергии, топлива генератора, обеспечивает безотказную работу электроприемников.

1. Описание предлагаемой технологии (метода) повышения энергоэффективности, его новизна и информированность о нем (объем не ограничен)

Сущность явления перекоса фаз

Явление перекоса фаз известно практически всем, кто так или иначе сталкивается с проблемами, связанными с потреблением электроэнергии. Перекос фаз проявляется в трехфазных четырех- (пяти-) проводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

В идеальном состоянии фазное напряжение (напряжение между каждой из трех фаз и нулевым рабочим проводником) составляет 220 В. Векторная диаграмма напряжений генератора (модель, отображающая взаимосвязь и взаиморасположение фазных и линейных напряжений) показана на рис. 1.

Линейные напряжения образуют равносторонний треугольник с вершинами UA, UB, UC. Фазные напряжения 0A, 0B и 0C равны между собой и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°. Данная модель является идеальной и перекос фазных напряжений в ней отсутствует.

При подключении нагрузки на разные фазы, которая всегда отличается и по величине, и по характеру — резистивная и реактивная (индуктивная и емкостная), в питающей сети возникает перекос фазных напряжений. Помимо вреда, который наносит электроэнергия низкого качества непосредственно электроприемникам, возникают уравнительные токи, вызывающие дополнительный расход электроэнергии, и, соответственно, топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора.

Схема, иллюстрирующая условия возникновения перекоса фаз (напряжений) представлена на рис. 2, где RA, RB, RC — активные сопротивления нагрузок по фазам, причем RA > RB > RC ≠ 0.

Если бы сопротивления нагрузки были равны, то токи, через них протекающие так же были равны между собой. Учитывая то, что угол сдвига между ними равен 120°, то их геометрическая сумма равнялась бы нулю.

Однако при их неравенстве в результате суммирования возникает ток I00′, который называется уравнительным (см. рис. 2.). А, следовательно, напряжение U00′, которое называется напряжением смещения. Графически напряжение смещения показано на рис. 3. красной сплошной линией. Красным пунктиром обозначены фазные напряжения, сдвинутые друг относительно друга на произвольный угол и отображающие перекос фаз. Белым пунктиром показана идеальная ситуация без перекоса фазных напряжений.

Чем больше уравнительный ток, тем больше Ваши потери электроэнергии. Чем больше напряжение смещения, тем выше риск повреждений, отключений, отказов, неустойчивой работы  Ваших электроприемников, генератора электроэнергии, тем быстрее они изнашиваются, тем больше потребляют ресурсов.

Последствия перекоса фаз

Последствия перекоса фаз проявляются в увеличении электропотребление из сети; в неправильной работе электроприемников, их сбоях, отказах, отключениях, перегорании предохранителей, износе изоляции. Для трехфазных автономных источников неравномерность загрузки их фаз чревата механическими повреждениями подшипников валов, подшипниковых щитов генератора и приводного двигателя, закоксовыванию форсунок.

Условно негативные последствия перекоса фаз можно разделить на три группы:

  1. последствия для электроприемников (приборов, оборудования), связанные с их повреждениями, отказами, увеличением износа, уменьшением периода эксплуатации;
  2. последствия для источников электроэнергии (увеличение износа, повреждения, увеличение энергопотребление при питании от госсети, повышенный расход топлива, масла, охлаждающей жидкости при питании от генератора, повреждения генератора, уменьшение периода его эксплуатации);
  3. последствия для потребителей, связанные с безопасностью, так как ухудшение качества изоляции может привести к:
  •  электротравматизму;
  •  возгоранию электропроводки или электроприемников;

а также последствия, связанные с увеличением расходов на:

  •  электроэнергию;
  • расходные материалы для генератора;
  • ремонт электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;
  • приобретение новых электроприемников, отказавших вследствие перекоса фаз.

Традиционные способы решения проблем, связанных с электроэнергией низкого качества

Для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиты отдельных электроприемников или небольшой их группы. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые  конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения.

Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменения напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз.

Из изложенного выше ясно, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью — и электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения  имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.

Альтернативная технология

Для решения задачи по устранению перекоса фазных напряжений и обеспечения заданного фазного напряжения необходимо использовать технологию, которая позволит выравнивать напряжение не на каждой из фаз по отдельности, а симметрировать фазы между собой, то есть симметрировать всю трехфазную систему. Такое устройство обладает значительно большей эффективностью, оно не только само потребляет меньше электроэнергии, но и снижает электропотребление из сети для электроприемников.

Преимущества использования такой технологии:

Экономичность:

  • снижение уровня энергопотребления из сети при сохранении нагрузки;
  • снижение расходов на электроэнергию для питания электроприемников;
  • снижение расходов электроэнергии и других ресурсов на обеспечение необходимой величины фазных напряжений;
  • снижение расходов на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора;
  • снижение расходов на генератор, так как технология позволяет использовать генератор меньшей мощности для той же группы приборов;
  • снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение электроприемников,  поврежденных вследствие перекоса фаз;
  • снижение расходов на ремонт, сервисное обслуживание, приобретение устройств, предназначенных для обеспечения заданной величины напряжения и обладающих низкой надежностью и низкой эффективностью (например, электромеханических и электронных трехфазных стабилизаторов напряжения).
  •  обеспечение возможности подключать фазных потребителей мощностью до 50% трехфазной мощности.

Надежность

  • Надежность электроприемников. Защита, обеспечение их устойчивой и безотказной работы.
  • Надежность устройства для симметрирования фазных нагрузок и устранения перекоса фазных напряжений. Принцип работы устройства основан на перемагничивании обмоток. Отсутствие подвижных и электронных частей делает устройство исключительно надежным, практически безотказным.
  • Надежность источника электроэнергии. Защита генератора от механических повреждений подшипников валов генератора и приводного двигателя вследствие перекоса фаз.

Безопасность

  • Защита от электротравматизма, возгорания электропроводки или электроприемников, вызванных износом изоляции вследствие перекоса фаз.
  • Обеспечения безопасности за счет применения защитной меры зануление.

Диапазон изменения фазных напряжений

Представленная технология допускает 100%-ый перекос нагрузки и устраняет перекос фазных напряжений во всем диапазоне их изменений независимо от причины перекоса: (1) перекос в подводящей питающей сети, вызванный неисправностями в распределительной сети, (2) неравномерное распределение фазных нагрузок, (3) подключение мощного потребителя, (4) комбинированные причины.

Прикладные задачи, решаемые с помощью применения представленной технологии

Устранение перекоса фазных напряжений, т.е. выравнивание фаз сети друг относительно друга.

  • Равномерное распределение нагрузок по фазам.
  • Обеспечение заданной величины линейных напряжений.
  • Обеспечение заданной величины фазных напряжений.
  • Преобразование трехфазной сети в одно-(двух) фазную:
    • с гальванической развязкой
    • без гальванической развязки питающей сети и потребителя;
    • с изменением (увеличением или уменьшением) выходного напряжения;
  • Преобразование трехфазной трехпроводной сети в трехфазную четырехпроводную (т.е. формирование нулевого рабочего проводника для возможности подключения фазной нагрузки).

Ниже на рисунках представлены варианты подключения нагрузки без использования представленной технологии и с использованием представленной технологии.

Максимальная нагрузка на одну фазу составляет треть от трехфазной мощности источника электроэнергии.

Подключение мощного однофазного электроприемника вызывает перекос фаз и повышает риск его повреждений и повреждений других электроприемников. Если мощность такого фазного потребителя превышает треть трехфазной мощности, это вызывает его неправильную работу (сбой, отключение, отказ).

 

Максимальная нагрузка на одну фазу может составлять 50% от трехфазной мощности источника электроэнергии. Источник электроэнергии воспринимает нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Представленная технология позволяет подключать ту же группу электроприемников к генератору электроэнергии меньшей мощности, при этом источник электроэнергии будет воспринимать нагрузку как равномерно распределенную по фазам.

Представленная технология запатентована, не имеет аналогов в России и за рубежом. Оборудование, производимое на основе данной технологии, сертифицировано и соответствует ТУ.

2. Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении

Массовое внедрение такой технологии позволит более рационально использовать электроэнергию, снизить ее потери; обеспечивать тех же потребителей (группы электроприемников) меньшим количеством электроэнергии; снизить затраты на электроэнергию, затраты на топливо, масло, охлаждающую жидкость при питании от генератора; продлить срок службы электроприемников, уменьшить их износ, обеспечить безотказную работу электроприемников; снизить расходы на источники электроэнергии, так как для той же группы электроприемников возможно использование генератора меньшей мощности.

3. Прогноз эффективности технологии (метода) в перспективе с учетом:

  • роста цен на энергоресурсы: эффективность технологии повышается при росте цен на энергоресурсы, так как позволяет снизить их расход.
  • роста благосостояния населения: технология способствует росту благосостояния населения, так как защищает электроприемники от износа и отказов, то есть позволяет снизить расходы не только на электроэнергию, но и на сервисное обслуживание электроприемников.
  • введением новых экологических требований: технология способствует защите окружающей среды, так как экономия электроэнергии способствует экономии энергоресурсов, а использование источников электроэнергии меньшей мощности позволяет меньше загрязнять окружающую среду.
  • других факторов: технология позволяет отогревать конструкции и коммуникации (при обледенении проводов, промерзании трубопроводов и т.д.); подключать оборудование, чувствительное к значительным отклонениям от номинала, так как устраняет эти отклонения; однофазное оборудование, потребляющее до 50% трехфазной мощности; преобразовывать трехфазную сеть в одно(двух)фазную, трехфазную трехпроводную сеть в трехфазную четырехпроводную сеть, обеспечивать заданный уровень напряжения, отличающийся от напряжения в исходной сети.

4. Существует ли необходимость проведения дополнительных исследований для расширения перечня объектов для внедрения данной технологии?

Нет. Сфера применения технологии практически безгранична: везде, где есть трехфазная сеть и условия для возникновения перекоса фаз — то есть, необходимость подключения нагрузки .

5. Обозначить причины, по которым предлагаемые энергоэффективные технологии не применяются в массовом масштабе; наметить план действий для снятия существующих барьеров.

Причина, почему данная технология не применяется в массовом масштабе — отсутствие информированности о ее существовании. План действий: разработка и реализация маркетинговой стратегии по продвижению технологии.

6. Существующие меры поощрения, принуждения, стимулирования для внедрения предлагаемой технологии (метода) и необходимость их совершенствования.

Стимулирующие меры, которые предпринимает обладатель технологии: возможность бесплатного тестирования технологии на территории потенциального заказчика.

7. Наличие технических и других ограничений применения технологии (метода) на различных объектах.

Технические ограничения: необходимость дополнительной сертификации на объектах повышенной опасности, например сертификация на сейсмостойкость для использования на электростанциях.

8. Необходимость проведения НИОКР и дополнительных испытаний; темы и цели работ.

Отсутствует.

9. Наличие постановлений, правил, инструкций, нормативов, требований, запретительных мер и других документов, регламентирующих применение данной технологии (метода) и обязательных для исполнения; необходимость внесения в них изменений или необходимость изменения самих принципов формирования этих документов; наличие ранее существовавших нормативных документов, регламентов и потребность в  их восстановлении.

ТУ 3411-001-95191267-2010.

10. Необходимость разработки новых или изменения существующих законов и нормативно-правовых актов.

Отсутствует.

11. Наличие внедренных пилотных проектов, анализ их реальной эффективности, выявленные недостатки и предложения по совершенствованию технологии с учетом накопленного опыта.

Есть

12. Возможность влияния на другие процессы при массовом внедрении данной технологии (изменение экологической обстановки, возможное влияние на здоровье людей, повышение надежности энергоснабжения, изменение суточных или сезонных графиков загрузки энергетического оборудования, изменение экономических показателей выработки и передачи энергии и  т.п.).

Технология повышает надежность энергоснабжения, изменяет экономические показатели.

«ЭнергоСовет» — портал по энергосбережению