Фазопреобразующий трансформатор для четырехфазных электропередач

Научный вестник НГТУ. – 2010. – № 3(40)

УДК 621.311.001.24

Фазопреобразующий трансформатор
для четырехфазных электропередач*

Т. Г. КРАСИЛЬНИКОВА, в. з. МАНУСОВ

Для повышения надежности и ремонтопригодности четырехфазных линий предложена схема усовершенствованного фазопреобразующего трансформатора, которая позволяет осуществить переход на длительный трехфазный режим работы линии в случае возникновения однофазного повреждения на линии, а также проведения пофазного ремонта линии с отсутствием напряжения на ремонтируемой фазе.

Ключевые слова: фазопреобразующий трансформатор, четырехфазные электропередачи, однофазные повреждения.

Введение

Выработка электроэнергии, ее передача и распределение во всем мире базируются на трехфазной системе переменного тока. Прогресс в области передачи больших потоков мощности на дальние и сверхдальние расстояния связан с освоением сверхвысоких напряжений (СВН), совершенствованием конструкций трехфазных воздушных линий (ВЛ) переменного тока, а также использованием передач постоянного тока (ППТ).

Новые разработки в области трехфазных ВЛ позволяют увеличить их натуральную мощность в два и более раза по сравнению с натуральной мощностью традиционных трехфазных ВЛ [1,2]. Однако значительное увеличение передаваемой мощности на одну цепь приемлемо лишь в случае положительного решения проблемы надежности. На ВЛ СВН подавляющее число отказов (более 98 %) – однофазные [3]. Почти 50 % из них являются дуговыми и могут ликвидироваться в цикле однофазного автоматического повторного включения. В случае устойчивых однофазных повреждений в одноцепных электропередачах (ЭП) повысить пропускную способность позволяет, в частности, использование кратковременных и длительных неполнофазных режимов, для чего необходимо оснащение ЭП симметрирующими устройствами [4]. Другой путь повышения надежности связан с применением ВЛ с резервной фазой [5], которая в нормальном режиме отключена и используется только вместо аварийной фазы. Очевидным недостатком линий с резервной фазой становится недоиспользование суммарного сечения ВЛ в нормальном режиме. В результате экономическая эффективность трехфазных ЭП повышенной мощности заметно снижается.

Для решения проблемы передачи больших потоков мощности на дальние и сверхдальние расстояния целесообразен переход к четырехфазной системе переменного тока, поскольку она позволяет существенно улучшить технико-экономические, надежностные и экологические показатели электропередач [6]. В основе четырехфазных электропередач (ЧЭП) лежит четырехфазная уравновешенная симметричная система переменного тока с фазовым 90º (рис. 1). Основные отличительные особенности ЧЭП:

1. линия снабжена фазопреобразующими трансформаторами (ФПТ) для преобразования трехфазной системы переменного тока в четырехфазную и обратно.

2. фазы четырехфазной линии расположены на опорах так, что образуют две независимые симметричные двухфазные системы, в каждой из которых токи и напряжения находятся в противофазе, что позволяет повысить натуральную мощность линии и снизить ее влияние на окружающую среду.

3. для ликвидации наиболее вероятных однофазных повреждений на линии и для проведения ее пофазного ремонта предусмотрен перевод ЧЭП на трехфазный режим работы с возможностью передачи полной номинальной мощности.

а б

Рис. 1. Системы переменного тока:

а – 3-фазная и б – 4-фазная

Наиболее эффективное использование ЧЭП связано с замещением трехфазных ЭП высокого и сверхвысокого напряжения, подключаемых к узловым пунктам сети с помощью автотрансформаторов (рис. 2). Принципиальная схема ЧЭП, изображенная на рис. 2, б, содержит четырехфазную линию, подсоединенную через выключатели к двухфазным обмоткам фазопреобразующих трансформаторов и , так что линия в электрическом плане образует две симметричные системы переменного тока , и ,. Трехфазные обмотки фазопреобразующих трансформаторов через выключатели подсоединены к шинам трехфазного переменного тока. Фазопреобразующие трансформаторы, которые одновременно повышают напряжение на линии до экономически необходимого уровня, это новый вид оборудования для четырехфазной электропередачи. Все остальное оборудование в силу однофазного исполнения идентично для трехфазных и четырехфазных электропередач и отличается лишь количеством фазных элементов.

а

б

Рис. 2 Принципиальные схемы трехфазной и четырехфазной ЭП:

а – двухцепная трехфазная и б – четырехфазная ЭП

Для промышленного освоения четырехфазных ЭП необходимо создать фазопреобразующий трансформатор и разработать оптимальные конструкции четырехфазных ВЛ.

Как было отмечено выше, главная отличительная особенность четырехфазной ВЛ состоит в способе расположения фаз на опорах, при котором линия образует две независимые симметричные двухфазные системы (a, ) и (b, ), при этом в каждой из них напряжения и токи находятся в противофазе. Практическая независимость режимов в каждой из двухфазных линий, составляющих четырехфазную линию, обеспечивается путем применения транспозиции. Представление четырехфазной ВЛ в виде двух независимых двухфазных систем диктует вполне определенные требования к расположению фаз на опоре. Кроме того, должна учитываться необходимость длительной работы в трехфазном режиме в случае отключения одной из фаз из-за повреждения или для ремонта. Схематическое изображение возможных вариантов наиболее массовых промежуточных опор показано на рис. 3.

а б

Рис. 3. Промежуточные опоры четырехфазной ЛЭП двухъярусной
конструкции:

а – одностоечная опора на оттяжках, б – вантовая опора со сближенными
противофазами

Повышение натуральной мощности четырехфазной линии по сравнению с одноцепной трехфазной линией возможно даже при равенстве волновых сопротивлений этих линий в силу того, что в четырехфазной линии рабочих фаз на одну больше, чем в трехфазной.

При этом волновое сопротивление в четырехфазной линии по сравнению с трехфазной снижается, поскольку волновое сопротивление четырехфазной линии, состоящей из двух симметричных двухфазных линий, оказывается меньше, чем трехфазной. Это связано с взаимной компенсацией рабочей индуктивности в каждой из двух двухфазных систем четырехфазной ВЛ

Натуральная мощность m-фазной линии в общем виде определяется как

, (1)

где m – число фаз линии;  – номинальное фазное напряжение;  – волновое сопротивление линии.

Волновое сопротивление четырехфазной ВЛ в зависимости от ее параметров определяется как

, (2)

где  – отношение скорости распространения электромагнитных волн вдоль линии к скорости света;  – соответственно расстояние между фазами и ; n, R – число составляющих проводов в фазе и их радиус;  – радиус расщепления; d – шаг расщеп­ления.

При замещении двухцепной трехфазной линии четырехфазной при равенстве суммарных сечений число составляющих в каждой фазе четырехфазной линии будет в полтора раза больше, чем в отдельной трехфазной линии. Это, в свою очередь, позволяет увеличить эквивалентный радиус расщепления фазы четырехфазной линии, поэтому возможно повышение натуральной мощности четырехфазной линии в два и более раза по сравнению с натуральной мощностью одноцепной трехфазной линии.

1. Постановка задачи

Задача преобразования трехфазного переменного тока в четырехфазный и обратно принципиально решена, если иметь в виду известные схемы преобразования трехфазного переменного тока (a, b, c) в двухфазный () и обратно, например схему Скотта (рис. 4), предложенную еще в 1894 г. американским инженером [7]. Трансформаторы по схеме Скотта использовались для питания трехфазной нагрузки на двухфазной линии, выдающей мощность от Ниагарской ГЭС, оснащенной двухфазными генераторами.

Рис. 4. Фазоповоротный трансформатор Скотта

Система четырехфазного переменного тока получается из трехфазной с помощью двух фазопреобразующих трансформаторов Скотта (рис. 5). Первый трансформатор преобразует трехфазную систему (a, b, c) в двухфазную систему () с фазовым сдвигом 90º, а второй – в двухфазную систему () с противоположным направлением составляющих относительно первой двухфазной системы, так что в совокупности образуется четырехфазная симметричная уравновешенная система переменного тока (, ) [8]. Схема фазопреобразующего трансформатора может быть получена из схемы трансформатора путем соответствующего переключения выводов обмоток.

Фазопреобразующие трансформаторы – основное электрооборудование для четырехфазных электропередач (в трехфазных электропередачах таким оборудованием являются автотрансформаторы). Для мощных ЧЭП СВН фазопреобразующий трансформатор проще изготовить из двух отдельных трансформаторов и .

Рис. 5. Принципиальная схема фазопреобразующего трансформатора на базе трансформаторов Скотта

Связь напряжений трехфазной системы с четырехфазной и наоборот выражается соотношениями:

, , (3)

где ,

– соответственно преобразующая матрица напряжений от четырехфазной системы к трехфазной и преобразующая матрица напряжений от трехфазной системы к четырехфазной.

Связь между токами трехфазной и четырехфазной систем, и наоборот:

, , (4)

где ,  

– соответственно преобразующая матрица токов от четырехфазной системы к трехфазной и преобразующая матрица токов от трехфазной системы к четырехфазной.

Однако данный фазопреобразующий трансформатор не позволяет осуществить переход на трехфазный режим работы в случае ликвидации однофазных повреждений или для проведения пофазных ремонтов. Для технической реализации трехфазных режимов фазопреобразующий трансформатор требуется усовершенствовать.

2. основной результат

Наиболее простое решение состоит в том, что к нейтрали фазопреобразующего трансформатора подсоединяется с помощью выключателей дополнительный фазопреобразующий трансформатор [9], выполненный по схеме Скотта.

На рис. 6 приведена схема фазопреобразующего трансформатора для преобразования трехфазной системы переменного тока как в четырехфазную, так и трехфазную системы. Устройство содержит два основных фазопреобразующих трансформатора 1, выполненных по схеме Скотта для получения четырехфазной системы переменного тока, дополнительный фазопреобразующий трансформатор Скотта 2, подсоединяемый выключателями 3–6 к нейтралям основных трансформаторов 1, линейные выключатели 7 для подключения к четырехфазной линии, заземляющие выключатели 8–11 и 12, 13. Со стороны нейтралей основных фазопреобразующих трансформаторов 1 предусматриваются устройства регулирования напряжения под нагрузкой 14 и 15. Нормальным режимом работы считается режим преобразования трехфазной системы в четырехфазную. В этом режиме все выключатели 4–7 и 8–11 отключены, а выключатели 12 и 13 включены и обеспечивают заземление нейтралей основных фазопреобразующих трансформаторов 1.

Усовершенствованный фазопреобразующий трансформатор работает следующим образом. В случае возникновения повреждения на одной из фаз линии, например на фазе , происходит ее отключение соответствующим линейным выключателем 7, на здоровых фазах линии имеет место трехфазная несимметричная система напряжений (рис. 7). При этом напряжение обратной последовательности составляет 27 %, а напряжение нулевой последовательности 37 % по отношению к напряжению прямой последовательности, что допустимо лишь в течение нескольких секунд.

Рис. 6. Принципиальная схема усовершенствованного фазопреобразующего
трансформатора

Далее вводится в работу дополнительный фазопреобразующий трансформатор 2. Преобразованное фазное напряжение у дополнительного фазопреобразующего трансфор­матора 2 в два раза меньше, чем у основных фазопреобразующих трансформаторов 1. В зависимости от аварийной фазы коммутируются соответствующие выключатели 3–6, 8–11 и 12, 13. Так, в случае аварийной фазы в первую очередь отключается заземляющий выключатель 12, а затем включаются выключатели 4 и 9. В результате в нейтраль вводится соответствующая дополнительная эдс, и векторная диаграмма напряжений на здоровых фазах линии приобретает вид, показанный на рис. 8.

При этом резко снижается уровень несимметрии, составляя для обратной последовательности примерно 7 % и отсутствуя практически для нулевой последовательности (0,3 %). Такой

Рис. 7. Векторная диаграмма напряжений на здоровых фазах линии при отключении  аварийной фазы

Рис. 8. Векторная диаграмма напряжений на здоровых фазах линии при введении в работу дополнительного фазо- преобразующего трансформатора

уровень несимметрии допустим в течение нескольких минут, что позволяет за это время устранить его полностью за счет устройств регулирования напряжения под нагрузкой 14 ( рис. 9).

Рис. 9. Векторная диаграмма напряжений на здоровых фазах линии после действия устройств регулирования напряжения под нагрузкой

Переключения, необходимые для перехода на трехфазный режим работы при повреждении одной из фаз линии, показаны в таблице.

Переключения для перехода на трехфазный режим работы

Режим работы	Состояние выключателей
3	4	5	6	8	9	10	11	12	13
4-фазный	о	о	о	о	о	о	о	о	в	в
КЗ на фазе α	в	о	о	о	в	о	о	о	о	в
КЗ на фазе	о	в	о	о	о	в	о	о	о	в
КЗ на фазе β	о	о	в	о	о	о	в	о	в	о
КЗ на фазе	о	о	о	в	о	о	о	в	в	о

* В таблице даны обозначения: в – включено, о – отключено.

Для устранения уровня несимметрии при выходе из строя фаз или в работу вводятся устройства регулирования напряжения под нагрузкой 14. Для устранения уровня несимметрии при выходе из строя фаз или в работу вводятся устройства регулирования напряжения под нагрузкой 15.

Как видно из рис. 7–9, предлагаемый фазопреобразующий трансформатор обеспечивает переход на трехфазную симметричную систему токов и напряжений при возникновении наиболее вероятных однофазных повреждений на линии или при проведении пофазных ремонтов при помощи дополнительного фазопреобразующего трансформатора Скотта 2 и устройств регулирования напряжения под нагрузкой 14 и 15, что повышает надежность работы четырехфазной электропередачи в аварийном режиме.

Заключение

Для повышения надежности и ремонтопригодности четырехфазных линий предложена схема усовершенствованного фазопреобразующего трансформатора, которая позволяет осуществить переход на длительный трехфазный режим работы линии в случае возникновения однофазного повреждения на линии, а также для проведения пофазного ремонта линии с отсутствием напряжения на ремонтируемой фазе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] , , Воздушные линии электропередачи 1150 кВ с повышенной натуральной мощностью и пропускной способностью: сб. науч. тр. НИИПТ. – М., 1985. – С. 6–20.

[2] Передача электрической энергии переменным током. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

[3] , , и др. Перспективы применения ОАПВ в электропередаче 1150 кВ // Электропередачи 1150 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – Кн. 1. – С.129–158.

[4] , , и др. Использование статических тиристорных компенсаторов в длительных неполнофазных режимах работы ЛЭП // Изв. СО АН СССР. – сер. техн. наук. – 1985. – Вып. 1. – № 4,

[5] Выбор и обоснование конструкции ВЛ СВН с резервной фазой // Мат-лы междунар. науч.-техн. конф. «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния». – Новосибирск, 2003. – Т. 1. – С. 118–127.

[6] Четырехфазные электропередачи // Изв. РАН. – Сер. «Энергетика». – 1995. – Вып. 6. – С. 101–109.

[7] Н. Схема Скотта: история и перспективы совершенствования (к 100-летию создания) // Электричество. – 1994. – № 10. – с. 77.

[8] Г. Схема замещения трансформатора для преобразования трехфазной системы переменного тока в четырехфазную / под ред. , , . – 2007. – ч. 2. – С. 14–19.

[9] Фазопреобразующее устройство. Патент на изобретение № 000. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 июля 2009 г.

, кандидат технических наук кафедры систем электроснабжения предприятий Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – четырехфазные электропередачи. Имеет более 20 публикаций.

Тел.:

, доктор технических наук, профессор, ст. преподаватель кафедры автоматизированных электроэнергетических систем Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – применение информационных технологий и искусственного интеллекта в электроэнергетике. Имеет около 300 публикаций, в том числе 2 монографии, 9 учебных пособий.

E-mail: *****@***ru

T. G. Krasilnikova, V. Z. Manusov

Phase-converting transformer for 4-phase Power Transmission

4-phase Transmission Systems allow radically to improve technical, economic, reliable and environmental characteristics of power transmission over long and very long distances. For increase of reliability and repairability of 4-phase lines the scheme the improved phase-converting transformer which allows to carry out transition to a long three-phase operating mode of a line in case of occurrence of single-phase damage on a line, and also carrying out phase-by-phase repair of a line with absence of voltage on a repaired phase is offered.

Key words: Phase-converting transformer, 4-phase Power Transmission, single-phase damage.

* Получена 24 мая 2010 г.