FI98009C - Häiriönpoistomenetelmä sähköenergiansiirtoverkkoa varten sekä kytkentä sähköenergiansiirtoverkossa - Google Patents

Description

98009 Häiriönpoistomenetelmä sähköenergiansiirtoverkkoa 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 puoliaallon huipun kohdalla 15 ottavat virtapulssin, joka on kestoltaan 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 sähkö energian siirtoverkon nollajohtimeen. Käytännössä nollajoh-timessa on todettu vaihevirtaan verrattuna lähes kaksinkertaisia virtoja. Nollajohtimella ei ole ylikuormitussuojaa ja kuormituksen kasvaessa vaaratilanne on ilmeinen. Lisäksi 25 kolmannen harmonisen on todettu aiheuttavan häiriöitä ATK- laitteisiin ja tietoyhteyksiin.

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 98009 2 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 magneettikentät 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.

Kuvio 2 esittää kytkentäkaaviota yhdestä keksinnössä käytettävissä 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 sähköenergiansiirtoverkko 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 *f 0, Euroopassa siis 150 Hz ja Amerikassa vastaavasti 180 Hz. Kun R on pieni, piirin resonanssille pätee 15 likimain 1-G)2LC=0, jossa 50 Hz:n tapauksessa ω = 2π*ΐ50 1/s. Induktanssi voi keksinnön mukaisesti olla joko ilma-, rauta- tai ferriit-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 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: R· (1 ~<jä2LC'k) +J0)L (1 +— ) Z=-T-±- , R~(jH2LCRs , ,, a 1-0>2LC+-S+jor(l+ic+ —+—= rf t rf jossa

Rt t k=— , a.-—, T-RC, TL=—, RF edustaa iautasydämen häviöitä R RF R$ 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 AFe: •‘o 15 jossa N on kelan kierroslukumäärä ja μ0 on permeabiliteetti (1,256 μΗ/m).

Tässä tapauksessa ilmaraolle 10 saadaan arvoksi 7,6 mm kun käytetään kierroslukumääränä N arvoa 116 ja keskipylvään 10 20 poikkipinta-alana arvoa 10,9 cm2.

E-muotoiset Fe-piirit 8 hiotaan niin, että keskipylväälle tulee ilmarako 1^/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

II

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 * 250 A = 25 A

Magneettikentän huippuarvolle saadaan LI=m=N — A..

S. 4.26-25^10-3^ 116-10.34-10"4m2 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) .

U=N(jä — AFe v/2 £(150Hz) =-40v/2V-=Q _ 5Qr 116·300π — -10.34-10-½2 s 50 Hz: n ja 150 Hz: n virtakomponenttien aiheuttamat induktiot summautuvat aritmeettisesti ja vaikuttavat näin rautasydämen kyllästymiseen.

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.

98009 6 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*|c/n ^"v/I-lOO π-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.

li

Claims (7)

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 (1, 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) 25 käytetään sarja-rinnakkaisresonanssipiiriä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sarjaresonanssipiirin induktanssina (L) käytetään rauta- tai ferriittisydämistä kelaa, jonka ilmarako 30 mitoitetaan siten, että rautapiiri (8) ei kyllästy kaksinkertaisella vaihenimellisvirralla (50 Hz), kun suodattimen yli on samanaikaisesti kolmannen harmonisen häiriökomponent-ti (40 V).

5. Kytkentä sellaista sähköenergiansiirtoverkkoa varten, joka käsittää - päämuuntajan (2), jolla on tähtipiste (12), 96009 8 - päämuuntajaan (2) kytketyt vaihejohtimet (LI, L2, L3) , - maapotentiaaliin (3) ja päämuuntajan (2) tähti- 5 pisteeseen (12) kytketyn no11ajohtimen (N), ja - vaihejohtimien (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 3*f.

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

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että kaistanestosuodatin (1) on 25 sarja-rinnakkaisresonanssipiiri. 1 Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että resonanssipiirin induktanssi (L) on rauta- tai ferriittisydäminen kela, jonka ilmarako on mitoitettu siten, 30 että rautapiiri (8) ei kyllästy kaksinkertaisella vai- henimellisvirralla (50 Hz), kun suodattimen yli on samanaikaisesti kolmannen harmonisen häiriökomponentti (40 V). 9 98009