FI98009B - Häiriönpoistomenetelmä sähköenergiansiirtoverkkoa varten sekä kytkentä sähköenergiansiirtoverkossa - Google Patents

Description

Vfcf:· ;«; r*»·^~~:~’ *··*: ^?·.^^- · ^ vSA.*T^‘,%/*· 98009 Häiriönpoistomenetelmä sähköenergians i irtoverkkoa varten sekä kytkentä sähköenergiansiirtoverkossa

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukai-5 nen häiriönpoistomenetelmä.

Keksinnön kohteena on myös kytkentä sähköenergiansiirtoverkossa.

10 Epälineaariset kuormitukset, jotka eivät ota virtaa sinimuo- toisesti vaan jyrkkäreunaisen pulssin muodossa aiheuttavat yliaaltoja verkkoon. Tällaisia kuormituksia ovat esimerkiksi elektronisella liitäntälaitteella varustetut pienoisloiste-lamput, jotka 50 Hz:n jännitteen p>; aallon huipun kohdalla 15 ottavat virtapulssin, joka on ke. ;Ltaan vain 1,5 ms. Moder nissa toimistoympäristössä saattaa kaikki kuormitus olla yhtä huonolaatuista: tietokoneet, kopiokoneet, tulostimet ja elektronisella nopeudensäädöllä varustetut ilmastointilaitteet. Em. kuormituksesta aiheutuva suurin yliaaltokomponent-20 ti, kolmas harmoninen summautuu lähes aritmeettisesti sähköenergian siirtoverkon nollajohtimeen. Käytännössä nollajoh-timessa on todettu vaihevirtaan verrattuna lähes kaksinkertaisia virtoja. Nolla johtimella ei ole ylikuormitussuojaa ja * kuormituksen kasvaessa vaaratilanne on ilmeinen. Lisäksi : 25 kolmannen harmonisen on todettu aiheuttavan häiriöitä ATK- : laitteisiin ja tietoyhteyksiin.

m Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun : tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyp- . 30 pinen häiriönpoistomenetelmä sähköenergiansiirtoverkkoa varten sekä kytkentä sähköenergiansiirtoverkossa.

* • .* Keksintö perustuu siihen, että nollajohtimeen kuorman maa- ·· doituspisteen ja päämuuntajan tähtipisteen väliin sijoite- : 35 taan kaistanestosuodin, jonka keskitaajuus on sama kolmannen yliaallon kanssa.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 2 98009 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle kytkennälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosas-5 sa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla estetään nollajohdon yli-10 kuormitus ja samalla nollajohtimen virtojen aiheuttamat mag neettikentät pienenvät oleellisesti. Kolmannen harmonisen häiriökomponentin aiheuttamat tehohäviöt vähenevät. Myös häiriöt tietoliikenne- ja ATK-laitteissa vähenevät. Käytetyn suodattimen impedanssi muodostuu oikosulkuvirralla hyvin 15 pieneksi rautapiirin kyllästymisen ansiosta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

20 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista » · .·. sähkökytkentää.

• · • · | I Kuvio 2 esittää kytkentäkaaviota yhdestä keksinnössä käytet- .* tävissä olevasta suodatinratkaisusta.

• : 25 ·· ’ * Kuvio 3 esittää sivukuvantona yhtä vaihtoehtoa toteuttaa kuvion 2 induktanssi.

* • · • · ·· ·

Kuvio 4 esittää graafisesti yhden kuvion 2 mukaisen suodat-30 timen resistanssin riippuvuutta taajuudesta.

• · »· · »· · ·;·* Kuvion 1 mukaisesti TN-S sähköenergians.iirtoverkko käsittää *:* päämuuntajan 2, jolla on tähtipiste 12, vaihejohtimet Li, L2 ja L3, nollajohtimen N sekä suojamaan PE. Sähköverkossa • ·

35 sähköenergiaa siirretään taajuudella f0, joka Euroopassa on tyypillisesti 50 Hz ja Amerikan mantereella 60 Hz. Kuormat 5 ja 5' on kytketty vaihejohdinten LI - L3 ja nollajohtimen N välille. Kuormat 5 ja 5' on kytketty nollajohtimeen N

3 98009 kytkentäpisteistä 4 ja 4'. Nollajohto N on puolestaan kytketty todelliseen maapotentiaaliin maadoituspisteessä 3. Keksinnön mukaisesti kolmannen harmonisen (3*f0) suodattava kaistanestosuodatin 1, 1' tai 1*' on kytketty nollajohtoon 5 N kuorman 5 (tai 5') nollapisteen 4 (tai 4*) ja muuntajan 2 tähtipisteen 12 tai vaihtoehtoisesti todellisen maapotenti-aalin 3 väliin.

Kuvion 2 mukaisesti suodatin on tyypillisesti kolmannen 10 harmonisen taajuudelle viritetty sarja-rinnakkaispiiri, jossa induktanssin L ja vastuksen R sarjaankytkentä on kytketty rinnan kondensaattorin C kanssa. Resonanssitaajuus on siis 3*f0, Euroopassa siis 150 Hz ja Amerikassa vastaavasti 180 Hz. Kun R on pieni, piirin resonanssille pätee 15 likimain l-<i>2LC=0, jossa 50 Hz:n tapauksessa o — 2π*150 l/s. Induktanssi voi keksinnön mukaisesti olla joko ilma-, rauta- tai ferriitit*: tisydäminen. Rauta- tai ferriittisydämen ilmarako mitoite- : 20 taan siten, että sydänmateriaali ei kyllästy nollajohtimessa •*: kulkevalla virralla, joka on kaksi kertaa nimellisen vaihe- • · .·. : virran suuruinen. Induktanssi L on edullista muodostaa • ·· • ,·, monesta pienestä rinnakkain kytketystä rautasydämisestä • e · *Ij/ kuristimesta. Tällöin rinnan kytkettyjen kelojen johdinpoik- * 25 kipinta-alojen summan tulee olla yhteensä vähintään nolla- johtimen poikkipinnan suuruinen. Suodattimen impedanssi Z on ··: : seuraavan kaavan mukaisesti: ··* • · · • · · .*·. Ä-(l-<o2Z.C-/c) +j<oZ.(l+-£) :: : tl «·· · Ci 9 — I W II·!·· I I IMI — II· Iin·! ———.

.···. „ R-<ä2LCR- . . , a Rg.

·...· 1 -tozLC+---2-*.jo>r(l+/c+-2+-==) • *\p 1 Rp • e· « ·*· .*.: jossa • ·

Rt t a=—-, T=RC, TL=-=-, Rr edustaa rautasydämen häviöitä A A^ 4 98009

Kuristimen sydämen pyörrevirtahäviöt ovat verrannolliset taajuuden neliöön. Jotta kuristimen Q-arvo olisi riittävän hyvä, on käytettävä joko ferriittimateriaalia tai ohutta, erikoisen vähähäviöistä "sähkölevyä" sydänmateriaalina.

5

Kuviossa 3 on esitetty yksi esimerkki kuvion 2 kelan L toteuttamiseksi. Nollajohtimen poikkipinta-alaksi oletetaan 35 mm2 nimellisvirralle In= 125 A. Kondensaattorin C kapasitanssiksi valitaan 2,64 mF. Suodattimen resonanssi 150 10 Hz:llä saadaan tällöin aikaan kelalla L, jonka induktanssi on 0,426 mH. Suodattimen yhden kelan induktanssin ensimmäinen approksimaatio voidaan esittää seuraavalla kaavalla kun ilmaraon 7 leveys 10 ja rautapiirin keskipylvään 10 poikkipinta-ala on Af«: 15 jossa N on kelan kierros lukumäärä ja μ0 on permeabiliteetti (1,256 μΗ/m).

• · · • · · i·» · Tässä tapauksessa ilmaraolle 10 saadaan arvoksi 7,6 mm kun käytetään kierroslukumääränä N arvoa 116 ja keskipylvään 10 • · ;\j 20 poikkipinta-alana arvoa 10,9 cm2.

• · * e · • · · ··♦[ E-muotoiset Fe-piirit 8 hiotaan niin, että keskipylväälle • · · tulee ilmarako l0/2 - 3,8 mm. Kun kaksi identtistä rautaa 8 , asetetaan vastakkain tulee kokonaisilmaraon 7 leveydeksi • · · : 25 haluttu mitta 7,6 mm.

··· • · # ·

Keskipylvään 10 ympärille käämitään halkaisijaltaan 3,0 mm:n ***. lankaa 116 kierrosta. Jotta johdinten poikkipinta-ala olisi vähintään nollajohtimen poikkipinta-alan 35 mm2 suuruinen, • ♦ : 30 keloja tarvitaan esimerkiksi 10 kappaletta rinnakkain. Kela- ...* runko 9 puristuu yhteensidottujen rautojen 8 väliin.

Kuvion 4 mukaisesti suodattimen impedanssi saavuttaa maksimiarvonsa 10 ohmia arvolla 150 Hz ja impedanssi laskee alle 5 98009 0,15 ohmin 50 Hz:llä.

Seuraavassa tarkastellaan, kyllästyykö Fe-piiri nollajohdos-sa N kulkevalla virralla 250 A/50Hz. Tällöin yhden kelan 5 virta on I = 1/10 1 250 A « 25 A

Magneettikentän huippuarvolle saadaan LI=N$=N · — · A.e

v'Z

4.26·25 ν2~·10 3 Vs =2.,26 T 116110.34·10'4λι2 10 Kun suodattimen 1 Fe-piiri kyllästyy, muodostuu verkkoon yliaaltoja.

Seuraavassa magneettipiirin kyllästymistä arvioidaan tieto-konekuormilla, joiden aiheuttama häiriöjännite voi saavuttaa 15 arvon 40 V kolmannella harmonisella komponentilla (150 Hz) .

• · • · CWta-|A„

:: VZ

·· · ··» • · • « £( 150tfz) =--=0.50Γ . 1161300π — ·10.34·10_4Λί2 :: s ·· · ·«· · 50 Hz:n ja 150 Hz:n virtakomponenttien aiheuttamat induktiot summautuvat aritmeettisesti ja vaikuttavat näin rautasydämen • · kyllästymiseen.

··· Ä Λ . 20 : Oikosulkuvirralla Fe-piirin kyllästymisestä on se hyöty, ·· että suodattimen reaktanssi pienenee murto-osaan vastaten ilmasydämistä kelaa. Sulake toimii nopeasti oikosulussa, joten alle sekunnin vaikuttavista yliaalloista ei nollajoh-25 dossa N ole haittaa.

6 98009 50 Hz:n epäsymmetrisen virran kulkeminen keksinnön mukaisen kolmannen harmonisen suodattavan suodattimen läpi aiheuttaa vaihejänniteiden nollapisteen siirtymän. Niinpä suodatin tulee mitoittaa siten, että tämä siirtymä on vähemmän kuin 5 8% vaihejännittestä. Toisin sanoen suodatimen induktanssi tulee mitoittaa 50 Hz:llä tietyn arvon alapuolelle. Tämä ehto voidaan esittää kaavana: 0.08-1¾ yT-lOOlt-J»

Lisäksi keksinnön mukainen kolmannen harmonisen häiriökompo-10 nentin suodatin tulee mitoittaa siten, että nollajohtimessa kulkevan virran ja suodattimen 150 Hz:n impedanssin tulo on vähintään yhtä suuri 150 Hz:n häiriöjännitteen kanssa.

¥ » » » m m • »· ·« • * e»

Claims (8)

7 98009

1. Häiriönpoistomenetelmä energiansiirtoverkkoa varten, joka energiansiirtoverkko käsittää päämuuntajan (2), jolla on 5 tähtipiste (12), vaihejohtimet (LI, L2, L3) ja nollajohtimen (N), joka on toisesta päästään (3) kytketty maapotentiaaliin ja muuntajan (2) tähtipisteeseen (12) ja toisesta päästään (4) kuormiin (5), jossa energiansiirtoverkossa sähköenergiaa siirretään taajuudella f, 10 tunnettu siitä, että - muuntajan (2) tähtipisteen (12) ja kuormien (5, 5') kytkentäpisteiden (4, 4') välille kytketään 15 kaistanestosuodatin (l, 1', 1''), jonka keskitaa- juus on 3*f.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nollajohtimen (N) maapotentiaalin (3) ja kuormi- 20 en (5) kytkentäpisteiden (4) välille kytketään kaistanestosuodatin (1), jonka keskitaajuus on 3*f.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaistanestosuodattimena (1) • · 'V 25 käytetään sarja-rinnakkaisresonanssipiiriä.

• · »· · • · ·· · 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu • *: siitä, että sarjaresonanssipiirin induktanssina (L) käyte- tään rauta- tai ferriittisydämistä kelaa, jonka ilmarako : 30 mitoitetaan siten, että rautapiiri (8) ei kyllästy kaksin kertaisella vaihenimellisvirralla (50 Hz), kun suodattimen yli on samanaikaisesti kolmannen harmonisen häiriökomponent-T: ti (40 v>* »· · ·'" 35

5. Kytkentä sellaista sähköenergiansiirtoverkkoa varten, ···' joka käsittää • · • * » '**. - päämuuntajan (2), jolla on tähtipiste (12), »·· 8 98009 - päämuuntajaan (2) kytketyt vaihejohtimet (LI, L2, L3), - maapotentiaaliin (3) ja päämuuntajan (2) tähti- 5 pisteeseen (12) kytketyn nollajohtimen (N), ja - vaihe johtimien (LI, L2, L3) ja nollajohtimen (N) välille kytketyt kuormat (5), jotka on kytketty nollajohtimeen (N) kytkentäpisteisiin (4), 10 tunnettu siitä, että - päämuuntajan (2) tähtipisteen (12) ja kuormien (5, 5') kytkentäpisteiden (4, 4') välille on kyt- 15 ketty kaistanestosuodatin (1, 1', 1·'), jonka keskitaajuus on 31 2f.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että nollajohtimen (N) maapotentiaalin (3) ja kuormi- 20 en (5) kytkentäpisteiden (4) välille on kytketty kaistanestosuodatin (1), jonka keskitaajuus on 31f.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että kaistanestosuodatin (1) on • · V 25 sarja-rinnakkaisresonanssipiiri.

• · • · • · : ; 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu ‘i siitä, että resonanssipiirin induktanssi (L) on rauta- tai • ferriittisydäminen kela, jonka ilmarako on mitoitettu siten, Γ: 30 että rautapiiri (8) ei kyllästy kaksinkertaisella vai- henimellisvirralla (50 Hz), kun suodattimen yli on saman-.·. aikaisesti kolmannen harmonisen häiriökomponentti (40 V). • · • » • · · • » • · 2 • · e • « »· • e 98009