Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов и технических средств снижения потерь электроэнергии в сельских электрических 11 сетях 0,38 кВ
1.1 Структура потерь электроэнергии при передаче в сети 0,3 8 кВ 11
1.2 Потери электроэнергии, зависящие от отклонений показателей качества электроэнергии (КЭ) 18
1.3 Сопутствующие отрицательные последствия высших гармоник тока при протекании в сельской электрической сети 0,3 8 кВ 21
1.4 Способы нормализации показателей качества электроэнергии 26
1.5 Выводы. Цель работы и задачи исследования 40
2 Статистическое обоснование факторов, влияющих на потери электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ 42
2.1 Статистическое исследование уровня искажения формы кривой тока и напряжения в сельской электрической сети 0,38 кВ 42
2.2 Статистический анализ основных факторов и построение регрессионной модели потерь электроэнергии 56
2.3 Обоснование действующего значения тока для компенсации 3-ей гармоники нейтрали сети 0,3 8 кВ на головном участке 63
2.4 Выводы 68
3 Моделирование процесса передачи электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока 70
3.1 Устройства для повышения энергоэффективности передачи электрической энергии методом векторной компенсации высших гармоник в сельской сети 0,38 кВ 70
3.1.1 Устройство для уменьшения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети 0,38 кВ 70
3.1.2 Электромагнитный компенсатор высших гармонических токов на участке сети 0,38 кВ 75
3.1.3 Способ защиты электрической сети от гармоник тока кратных трем 77
3.1.4 Разработка схемотехнического решения усовершенствованного электромагнитного компенсатора высших гармоник тока 79
3.2 Разработка теории и методики расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник в электрической сети 0,38 кВ 80
3.3 Моделирование электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку 87
3.4 Моделирование электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку с подключенным электромагнитным компенсатором 101
3.5 Выводы 106
4. Программа и методика экспериментальных исследований, анализ результатов 108
4.1 Методика проведения физического моделирования электромагнитного компенсатора третьей гармоники 108
4.2 Моделирование режимов работы сельской сети без компенсатора высших гармоник тока 112
4.3 Моделирование режимов работы сельской электрической сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока 120
4.4 Выводы 130
5. Технико-экономическая оценка эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока 131
5.1 Определение экономической эффективности от внедрения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока 131
5.2 Выводы 140
Общие выводы 141
Литература 143
Приложения 161
- Сопутствующие отрицательные последствия высших гармоник тока при протекании в сельской электрической сети 0,3 8 кВ
- Устройство для уменьшения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети 0,38 кВ
- Моделирование режимов работы сельской сети без компенсатора высших гармоник тока
- Определение экономической эффективности от внедрения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока
Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день энергосбережение является главным направлением энергетической стратегии России в сложившихся экономических условиях.
В сельском электропотреблении прогрессирует коммунально - бытовая нагрузка с преобладанием нелинейных электроприемников. Насыщение сельских сетей такими потребителями вызывает в последней возникновение высших гармонических составляющих токов и перегрузку нулевых проводов сети 0,38 кВ.
Работа сельских сетей 0,38 кВ с постоянно циркулирующими токами высших гармоник является причиной дополнительных потерь электроэнергии.
Для реализации задач энергосбережения и повышения энергоэффективности электрических сетей принят и действует Федеральный Закон Российской Федерации №261-ФЗ от 23 ноября 2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Таким образом, оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников и разработка мер по снижению потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ являются актуальными и служат для успешного решения стратегических задач по наращиванию экономического потенциала аграрного сектора.
Цель работы - снижение энергетических потерь и повышение эффективности передачи электрической энергии в сельских сетях напряжением 0,38 кВ путем применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.
Объектом исследования является процесс передачи электрической энергии в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой.
Предметом исследования являются закономерности передачи электроэнергии по сельским электрическим сетям 0,38 кВ в условиях генерирования нелинейной нагрузкой высших гармоник тока, до и после применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.
Методы исследований.
В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теорий нелинейных электрических цепей и гармонического анализа, методы математической статистики. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов: анализаторов качества электроэнергии «Энергомонитор З.ЗТ», «Ресурс» и «Hioki-3196», электронного осциллографа «Актаком АСК-4166».
Для проведения исследований, реализующих предложенные методы, использованы пакеты программ Statistica и Multisim.
4 Научная новизна заключается в:
- определении степени влияния основных факторов на потери электро
энергии в сети 0,38 кВ;
-разработке компьютерной модели сети 0,38 кВ с нелинейной несимметричной нагрузкой;
-разработке метода снижения высших гармонических составляющих тока и напряжения;
- определении параметров устройства для компенсации высших гар
моник и места его установки в сети 0,38 кВ.
Научная гипотеза - повышение эффективности передачи электрической энергии и нормализация показателей КЭ в сельской сети 0,38 кВ возможны за счет векторной компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике сети.
Рабочая гипотеза - векторную компенсацию третьей гармоники токов в сельской электрической сети 0,38 кВ можно осуществить при помощи электромагнитного компенсатора.
На защиту выносятся следующие положения:
статистическая оценка основных факторов, влияющих на потери электрической энергии в сети 0,38 кВ;
компьютерная модель электрической сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока;
методика расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник тока;
принципиальные электрические схемы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.
Практическая ценность работы заключается в снижении потерь электроэнергии за счет применения разработанного метода и устройства для компенсации высших гармоник тока в сети 0,38 кВ.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «АЧГАА».
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская Государственная Агро-инженерная Академия» в 2008 - 2011 годах и ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Ставрополь, 2008 г.), на 7-ой международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (Москва 2010 г.).
По результатам исследований получены в соавторстве 4 патента, одна заявка и опубликованы 4 научные статьи.
Устройство для компенсации токов 3-ей гармоники в сети 0,38 кВ внедрено в ОАО «ДонЭнерго» - АМЭС.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов основной части, общих выводов, списка используемой литературы из 157 наименований (т.ч. 18 на иностранных языках) и 7 прило-
жений. Общий объем диссертации 213 страниц машинописного текста, содержит 97 рисунок и 11 таблиц.
Сопутствующие отрицательные последствия высших гармоник тока при протекании в сельской электрической сети 0,3 8 кВ
Большая часть электроприемников представляет собой нелинейную электрическую нагрузку, которая создает искажения в питающей сети [48]. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, которое воздействует на другое оборудование, получающее электропитание от того же источника. Это может вызывать перегрев и рассинхронизацию в других устройствах, сбои в коммуникациях и сетях передачи данных, повреждении аппаратуры и другие нежелательные эффекты.
Степень искажений может быть определена коэффициентом искажения синусоидальности ки - отношением действующего значения высших гармонических к действующему значению основной (первой) гармоники и коэффициентом амплитуды (крест-фактором) нагрузки кА - отношением пикового значения потребляемого тока к его действующему значению.
Эффекты, вызываемые высшими гармониками напряжения и тока, могут быть разделены на эффекты мгновенного и длительного воздействия [49]. Проблемы мгновенного воздействия включают:
- искажение формы питающего напряжения;
- падение напряжения в распределительной сети;
- эффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);
- резонансные явления на частотах высших гармоник;
- наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
- повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
- вибрация в электромашинных системах. Проблемы длительного воздействия вызывают;
- нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
- нагрев конденсаторов;
- нагрев проводников распределительной сети.
Рассмотрим подробнее эффект от протекания гармоник тока кратных третьей в четырехпроводной сети.
Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.
Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, "фундаментальная", т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность [50]. Это не относится к гармоникам, кратным третьей: п = 3 (2 к+ 1) , где к= о, 1, 2,... ( 1 ) В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. Процесс формирования тока нейтрали при нелинейной нагрузке представлен на рисунке 1.4.
В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.
Неправильно спроектированные четырехпроводные кабели трехфазных сетей могут перегреваться вплоть до воспламенения, подтверждая тем самым необходимость увеличения сечения проводников нейтрали трехфазных кабелей сети. Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети.
Кроме указанного выше, в межфазных напряжениях трехфазной сети будут отсутствовать гармоники, кратные трем, в связи с чем, соотношение между фазным и междуфазном напряжений при несинусоидальных тока становится меньше, чем л/з .
1. Резонансные явления на частотах высших гармоник.
При наличии высших гармоник в электрических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы системы электропитания и сельские электрические сети, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи [51]. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.
2. Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях.
Когда телекоммуникационные или управляющие сети проходят вблизи силовых сетей, по которым протекают токи высших гармоник, у первых могут наводиться помехи и искажения информационного сигнала. Величина искажения будет зависеть от частоты высших гармоник, длины параллельных участков сетей и расстояния между ними [52].
3. Акустический шум.
В трансформаторах, катушках электромагнитных пускателей и других электромагнитных элементах высшие гармоники тока, создавая электродинамические усилия, вызывают дополнительные акустические шумы [53].
4. Вибрация в электромашинных системах.
Наличие высших гармоник в напряжении питания электродвигателей является причиной возникновения в магнитном потоке составляющих на частотах высших гармоник, которые в свою очередь будут наводить гармоники ЭДС и, как следствие этого, в обмотках ротора появляются высшие гармоники тока. Эти гармоники будут взаимодействовать с основным магнитным потоком, создавая дополнительные механические моменты на валу электрической машины. В результате создаются гармонические пульсации вращающего момента на валу двигателя [54]. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, приводящая к накоплению усталости металла и возможному разрыву вала ротора электродвигателя.
5. Нагрев и дополнительные потери электроэнергии в трансформаторах и электрических машинах, конденсаторах и кабелях распределительной сети.
Дополнительные потери электроэнергии, вызывающие перегрев трансформаторов при наличии высших гармоник, возникают из-за скин-эффекта в меди обмотки (увеличение активного сопротивления обмотки с ростом частоты), а также увеличением потерь на гистерезис и вихревые токи в магнито-проводе трансформатора [55].
В электрических машинах, кроме аналогичных потерь в статоре (потери в меди и магнитопроводе), из-за значительной разнице в скоростях вращающихся магнитных полей, создаваемых высшими гармониками, и скоростью вращения ротора возникают дополнительные потери энергии в демпферных обмотках ротора и магнитопроводе электрической машины [56].
Дополнительные потери энергии при наличии высших гармоник в конденсаторах обусловлены увеличением "угла потерь" в диэлектрике и ростом действующего значения тока конденсатора. Возникающий перегрев в конденсаторе может приводить к пробою диэлектрика [57]. Кроме этого, конденсаторы чувствительны к перегрузкам, вызываемым присутствием высших гармоник напряжения.
Устройство для уменьшения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети 0,38 кВ
Схема электрическая принципиальная электромагнитного компенсатора [137] третьей гармоники электрической сети приведена на рисунке 3.1. На рисунке 3.2 показаны временные диаграммы гармонических составляющих напряжений и токов при непрерывном режиме работы компенсатора в сети.
Электромагнитный компенсатор третьей гармоники тока нейтрали электрической сети содержит включенные в нейтральный и фазные проводники измерительный трансформатор тока ТА4 и трансформаторы тока ТА1 - ТТЗ, ко вторичным обмоткам которых подключены выпрямитель и преобразователь (риеунок 3.1). Диоды VD1...VD3 выпрямителя своими анодами образуют общую точку с положительным выходным зажимом преобразователя.
Преобразователь состоит из конденсатора С1, диодов VD4, VD5, стабилитронов VS1, VS2, конденсатора С1, микросхемы стабилизатора XD1, резистора R1 и подстроечного резистора R2.
Трансформаторы тока ТА1...ТА4 в составе электромагнитного компенсатора имеют одинаковый коэффициент трансформации и класс точности.
Электромагнитный компенсатор третьей гармоники электрической сети работает следующим образом.
Однофазные нелинейные нагрузки генерируют в фазах и нейтрали че-тырехпроводной сети несинусоидальные токи, среди которых, как установлено исследованием, доминирует третья гармоника. Под действием вторичных напряжений ПL1, UL2 и UL3 (рисунок 3.2) в обмотках трансформаторов тока ТА 1...ТАЗ диоды VD1...VD3 включаются попеременно по 1/3 периода промышленной частоты. Ток будет проводить тот из диодов выпрямителя, потенциал анода которого относительно общей точки трансформаторов тока ТА1...ТАЗ выше, чем у других диодов. Коммутация диодов происходит в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоид вторичных напряжений ULi, UL2, UL3, поэтому кривая выпрямленного напряжения Ud имеет вид огибающей синусоиды фазных напряжений, индуктируемых вторичными обмотками трансформаторов тока (рисунок 3.2). Кривая выпрямленного тока id повторяет кривую выпрямленного напряжения, но из-за присутствия индуктивного сопротивления вторичной обмотки измерительного трансформатора тока ТА4, немного уплощается. Кратность пульсаций выпрямленного тока, протекающего во вторичной обмотке трансформатора тока ТА4 по отношению к основной частоте первичной сети равна трем.
Для компенсации возникающей при выпрямлении постоянной составляющей Ed преобразователем формируется противоэлектродвижущая сила, которая направлена встречно электродвижущей силе выпрямителя. В результате этого, протекающий через трансформатор тока ТА4 ток ів частотой 150 Гц не будет содержать постоянной составляющей Id (рисунок 3.2). Точную компенсацию постоянной составляющей выпрямителя можно осуществить подстроечным резистором К2 устройства (рисунок 3.1).
В тех случаях, когда трансформаторы тока используются для коммерческого учета электроэнергии, излишняя нагрузка может приводить к угловым и абсолютным погрешностям. Для исключения влияния компенсации на усеет электроэнергии была разработано устройство компенсации с использованием трансреакторов.
Устройство компенсации токов третьей гармоники [138] показано на рисунке 3.3, на рисунке 3.4 приведены диаграммы гармонических составляющих напряжений и токов при непрерывном режиме работы компенсатора.
Устройство содержит включенные в фазный и нулевой провода трансреакторы TAV1.. .TAV4, трехфазный выпрямитель VD1.. .VD3 и конденсатор (рисунок 3.3). Трансреакторы имеют одинаковый коэффициент трансформации.
Компенсатор третьей гармоники тока нейтрали сети работает следующим образом.
Для компенсации возникающей при выпрямлении постоянной составляющей Ed введен конденсатор С. Значение емкости конденсатора подбирается из условия компенсации индуктивного сопротивления вторичной электрической цепи на частоте 150 Гц. В результате протекающий через трансреактор ток 1в частотой 150 Гц не будет содержать постоянной составляющей Id(рисунок 3.4), а вторичные обмотки трансреакторов не будут дополнительно перегреваться.
Моделирование режимов работы сельской сети без компенсатора высших гармоник тока
Для определения эффективности влияния электромагнитного компенсатора высших гармоник тока, была собрана модель сельской электрической сети, представленная на рисунках 4.7 и 4.20. Были сняты осциллограммы тока и напряжения с помощью электронного осциллографа в фазных и нулевом проводах и проведен их спектральный анализ.
По показаниям электросчетчика, сделанным за 0,5ч, были получены следующие данные по энергопотреблению: активной электроэнергии - 0,58 кВт-ч, реактивной электроэнергии - 0,45 квар-ч.
Временные диаграммы напряжений и токов, снятые в фазных и нулевом проводе, согласно схеме, изображенной на рисунке 4.7 представлены рисунками 4.8; 4.11; 4.14; 4.17.
На графике, рисунка 4.8, показаны изменения мгновенных значений тока и напряжения в фазе А лабораторной установки.
Как видно из осциллограмм эти величины не является идеально синусоидальными, следовательно, в их спектрах присутствуют гармоники, отличные от первой. Поэтому в дальнейшем были получены выражения с учетом всех составляющих, присутствующих в фазе А.
Получено следующее выражение тока фазы А: ia(t)=3,31sin ( 150)+0,45sin (3 +190)+0,021sin (5cot+2500)+0,047sin (7ot+ 1170)+0.025sin(9cot-90)A.
Определение экономической эффективности от внедрения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока
Экономическую оценку внедрения технических мероприятий на предприятиях электрических сетей можно выполнить после оценки электромагнитного ущерба от некачественной электроэнергии, в частности, для снижения активных потерь электроэнергии от наличия в сельской электрической сети 0,38 кВ высших гармоник.
Расчет экономической эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока проводится на основании действующих методик, стандартов и нормативных документов с учетом среднегодового уровня инфляции.
Основными показателями экономической эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока являются годовая экономия затрат, а также показатели коммерческой эффективности инвестиций, базирующиеся на принципах, рекомендованных UNIDO (ООН), по системе международных показателей, таких как чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности инвестиций (ИД), внутренняя норма доходности (ВНД) и срок окупаемости проекта (Ток).
Чистый дисконтированный доход определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу (году, кварталу, месяцу), или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами [155].
При определении коммерческой эффективности используется показа-тель потока реальных денег, другое название Cash Flow. Потоком реальных денег Ф( называется разность между притоком (П{) и оттоком (Ot) денежных средств на каждом шаге расчета.
Критерий эффективности инвестиционного проекта выражается следующим образом: ЧДД 0. Положительное значение чистого дисконтированного дохода говорит о том, что проект эффективен и может приносить прибыль в установленном объеме. в данной работе предусматривают одноразовые капиталовложения и получение одинаковой годовой экономии по всему горизонту дисконтирования, за который принимается срок службы рассматриваемого оборудования, то чистый дисконтированный доход рассчитывается с использованием коэффициента суммы дисконтирования.
Капиталовложения в базовый и предлагаемый вариант электромагнитного компенсатора будут равны цене электромагнитного компенсатора высших гармоник тока с учётом его монтажа по формуле
