Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Мероприятия по нормализации качества электрической энергии и снижению дополнительных потерь мощности, обусловленных несршметриеи токов в сетях 0,38 KB 15
1.1. Виды несимметричных режимов 16
1.2. Влияние несимметрии токов на работу потребителей электрической энергии и дополнительные потери мощности 19
1.3. Влияние несимметрии токов на показатели качества электрической энергии 26
1.4. Работа сельских сетей 0,3 8 кВ в Иркутской области 29
1.5. Анализ способов и технических средств для нормализации ПКЭ и снижения потерь мощности в сельских сетях 0,38 кВ 32
1.5.1. Классификация способов и средств снижения несимметрии токов
и напряжений 32
1.5.2. Способы снижения несимметрии токов и напряжений 35
1.5.3. Технические средства снижения несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ 39
1.6. Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Методы расчета показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 kb с симметрирующим устройством 49
2.1. Метод расчета показателей несимметрии токов и напряжений для сети 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством 53
2.2. Метод расчета показателей несимметрии токов и напряжений для сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой и симметрирующим устройством 78
2.3. Методы расчета симметрирующих устройств 85
2.3.1. Расчет конденсаторного шунтосимметрирующего устройства 85
2.3.2. Расчет электромагнитного шунтосимметрирующего устройства ... 88
2.4. Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3. Математическое моделирование режимов работы сети 0,38 кв с симметрирующим устройством 94
3.1. Программа «Несимметрия» 94
3.1.1. Исходные данные 94
3.1.2. Порядок работы с программой «Несимметрия» 100
3.1.3. Описание программы «Несимметрия» 101
3.2. Расчет и анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ 104
3.2.1. Сеть 0,38 кВ с трехфазной симметричной, трехфазной несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 109
3.2.2. Сеть 0,38 кВ с трехфазной симметричной, двухфазной нагрузками и СУ 116
3.2.3. Сеть 0,38 кВ с трехфазной симметричной, однофазной нагрузками и СУ 123
3.3. Выводы по главе 3 131
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование показателей несимметрии токов и напряжений и экономическая целесообразность применения симметрирующих устройств для нормализации качества и снижения потерь электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 КВ 133
4.1. Исследование показателей несимметрии токов и напряжений на физической модели сети 0,38 кВ 133
4.1.1. Параметры физической модели сети 0,38 кВ 133
4.1.2. Параметры симметрирующего устройства .138
4.1.3. Модульный метод расчета 140
4.1.3.1. Расчет показателей несимметрии токов 140
4.1.4. Методика проведения эксперимента 143
4.1.5. Расчет и анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности 144
4.1.5.1. Сеть 0,38 кВ с трехфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 144
4.1.5.2. Сеть 0,38 кВ с трехфазной симметричной, двухфазной нагрузками и симметрирующим устройством 147
4.1.5.3. Сеть 0,38 кВ с трехфазной симметричной, однофазной нагрузками и симметрирующим устройством 149
4.2. Исследование показателей несимметрии токов и напряжений в действующих сетях 0,38 кВ с симметрирующим устройством 152
4.2.1. Характеристика исследуемой сети 0,38 кВ 152
4.2.2. Расчет показателей несимметрии токов и напряжений с симметрирующим устройством 153
4.2.3. Расчет симметрирующего устройства 159
4.3. Управление мощностью симметрирующего устройства 162
4.4. Экономическая эффективность применения СУ 167
4.5. Вы воды по главе 4 175
Общие выводы 177
Литература
- Влияние несимметрии токов на работу потребителей электрической энергии и дополнительные потери мощности
- Метод расчета показателей несимметрии токов и напряжений для сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой и симметрирующим устройством
- Расчет и анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ
- Параметры физической модели сети 0,38 кВ
Введение к работе
На современном этапе развития отечественной энергетики, достаточно остро стоит вопрос перехода к энергосберегающим технологиям в сельскохозяйственном производстве, что обусловлено возрастающим электропотреблением развивающихся сельскохозяйственных потребителей.
Произошедшие в России изменения экономических отношений потребовали изменения подхода к энергопроизводству и энергопотреблению. На сегодняшний день энергосбережение является главным направлением энергетической политики России в новых экономических условиях.
Минимизация экономических затрат при электроснабжении сельского хозяйства - большая комплексная задача. С ней тесно связаны задачи повышения качества электроэнергии и надежности электроснабжения. 11ри этом важное место занимают мероприятия по снижению потерь электроэнергии и её рациональному использованию.
Одной из основных возможностей экономии электрической энергии наряду с разработкой рациональных норм расхода, является борьба за уменьшение транспортных расходов. В электроэнергетике транспортные расходы составляют около 10 %, в сельских электрических сетях эти потери еще больше, из-за низкого уровня эксплуатации, малой удельной нагрузки вдоль линии электропередачи, повышенной несимметрии фазных нагрузок. Специфика низковольтных электрических сетей (ЭС) особенно сильно проявляется в сельских ЭС производственного и коммунально-бытового назначения.
Все электроустановки, составляющие систему электроснабжения, в том числе электрические линии и трансформаторы, характеризуются активными сопротивлениями. Поэтому при передаче, распределении и преобразовании электрической энергии происходят её потери.
Подавляющая часть потерь энергии в сельских сетях приходится на электрические линии и трансформаторы, и обычно, в практических расчетах
8 учитывают потери только в этих элементах сетей. Потери энергии в проводах, кабелях и обмотках трансформаторов пропорциональны квадрату протекающего по ним тока нагрузки, и по этому их называют нагрузочными потерями. Ток нагрузки, как правило, изменяется во времени, и нагрузочные потери часто называют переменными.
По мере роста нагрузок и присоединения к электрической сети новых потребителей в ней возрастают потери электрической энергии. По опубликованным данным потери электрической энергии в действующих сетях сельскохозяйственного назначения напряжением 0,38 кВ составляют 31...33%, а с учетом потерь электроэнергии в трансформаторах 10/0,4 кВ потребительских подстанций (ТП) они достигают 50..55% от общих потерь
[3].
Современный этап развития сельской электрификации характеризуется прогрессирующим ростом сельскохозяйственного производства и развитием коммунально-бытовой нагрузки - увеличением мощности нагрузок предприятий, развитием электротехнологии и автоматизации производственных процессов, а также повышением степени использования электрооборудования, в частности однофазных электроприёмников. В свою очередь, это влечет за собой постоянный рост потерь электрической энергии и мощности, как в распределительной сети, так и в самих электроприемниках. Одним из источников потерь, является несимметрия токов в сети и на зажимах электроприемников.
Основной причиной возникновения длительных несимметричных режимов электрических систем является несимметрия распределения потребителей электрической энергии по фазам сети. К таким потребителям в первую очередь следует отнести электротехнологические установки, преобладающее большинство которых, вследствие несимметричного исполнения и особенностей самого технологического процесса, обуславливает несимметрию режима питающей электрической сети, что отрицательно влияет на работу потребителей и ведет к ухудшению
9 показателей качества электрической энергии. Подключение таких потребителей к электрической сети вызывает в последней несимметрию токов и напряжений, которая отрицательно сказывается на работе всех звеньев системы: генераторов, линий электропередачи и трансформаторов, приемников электроэнергии.
Несимметрия напряжений уменьшает мощность выпрямителей, снижает эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжений сказывается на работе и долговечности асинхронных электродвигателей. При несимметрии напряжен и й равной 5 %, мощность асинхронного электрод ви гателя уменьшается на 5 - 20 %, в зависимости от исполнения двигателя. Известно, также, что несимметрия напряжения в 4 % сокращает срок службы асинхронного электродвигателя в 2 раза [2, 10, 17, 37, 41]. Также установлено, что каждому проценту величины коэффициента несимметрии напряжений соответствует 1,73 % дополнительного отклонения напряжения [2]. Отклонение напряжения, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям мощности и сокращению срока службы электрооборудования. Например, при отклонении напряжения -10%, активные потери двигателя увеличиваются на 2%, увеличивается ток двигателя, что приводит к преждевременному старению изоляции обмоток и в конечном итоге выходу его из строя. На каждый процент увеличения напряжения потребление электроэнергии сопровождается увеличением реактивной мощности двигателя на 3 %. Повышение напряжения сверх номинального на 1 % для ламп накаливания приводит к увеличению потребляемой мощности на 1,5 %, светового потока на 3,7 %, срок службы сокращается на 15 %. Увеличение напряжения на 3 % сокращает срок службы на 30 %. Понижение напряжения на 5 % уменьшает световой поток на 18 %, а при его снижении до 20 % запуск люминесцентных ламп не возможен [17, 37, 61]. Несимметрия напряжений и токов отрицательно сказывается также и на срабатывании релейной защиты. При несимметричном режиме токи нулевой
10 последовательности постоянно проходят через заземлители и отрицательно сказываются на их работе, вызывая высушивание грунта и увеличение сопротивления растеканию. Несимметрия токов также оказывает значительное влияние на низкочастотные каналы проводной связи, сигнализации и автоблокировки [10].
При работе многофазной системы в несимметричном режиме снижается пропускная способность элементов сети, происходит дополнительный нагрев электрических машин, увеличиваются потери активной мощности и энергии в системах электроснабжения. Несимметрия токов вызывает несимметрию напряжений, что в свою очередь приводит к отклонениям фазных и линейных напряжений сети.
Перечисленные выше факторы снижают технико-экономические показатели процессов передачи, преобразования и потребления электроэнергии, а иногда приводят к авариям в системах электроснабжения. Поэтому в соответствии с ГОСТ 13109-97, устанавливающим нормы качества электрической энергии, нормально допустимая несимметрия напряжений у приёмников электроэнергии, присоединенных к электрическим сетям общего назначения, не должна превышать 2 %, максимально 4 % [59].
В связи с ростом мощности однофазных нагрузок с одной стороны, и повышения требований к качеству электроэнергии [59], с другой, разработка и исследование высокоэффективных методов и средств симметрирования имеют большое значение.
Большой вклад в разработку методов расчета показателей качества и потерь электроэнергии, а также способов и средств снижения этих потерь обусловленных несимметрией токов в сетях 0,38 кВ внесли Я.Д. Баркан, М.С. Левин, Н.Н. Сырых, Ю.С. Железко, И.В. Жежеленко, СМ. Розанов, Н.Д. Григорьев, В.А. Скороходов, А.Н. Милях, Ф.Д. Косоухов, И.В. Наумов, А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, В.Э. Воротницкий и др. [2, 6, 7, 8, 10, 15, 17, 18, 21, 24, 26, 32, 33, 36, 37, 45, 67, 72].
Несмотря на значительное число работ посвященных несимметричным режимам работы электрической сети 0,38 кВ, вопросы повышения качества электрической энергии и снижения потерь, обусловленных несимметрией токов, рассмотрены не в полной мере. Вопросы качества рассматриваются отдельно от вопросов связанных с потерями электрической энергии, что не совсем корректно, так как они тесно связаны между собой. Кроме того, в опубликованной литературе уделено не достаточно внимания вопросам выбора оптимального места установки устройств симметрирования в распределительной сети 0,38 кВ. Предлагаемая диссертационная работа посвящена рассмотрению вопросов обеспечения требуемого качества электрической энергии и сопутствующего снижения дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в сельских сетях 0,38 кВ.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая ценность работы» основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
В первой главе проанализированы причины несимметричных режимов работы, влияние несимметрии напряжений и токов на работу приемников электрической энергии, а также дан анализ работе сельских распределительных сетей 0,38 кВ в Иркутской области. Рассмотрены способы и технические средства, предназначенные для нормализации качества электрической энергии и снижения дополнительных потерь мощности, приведена их классификация.
Во второй главе представлены методы расчета показателей несимметрии токов и напряжений с сосредоточенной и распределенной нагрузкой. Разработаны методы расчета симметрирующих устройств.
В третьей главе проведено математическое моделирование режимов работы сетей 0,38 кВ с симметрирующим устройством. Произведен расчет и анализ показателей несимметрии токов и напряжений, а также дополнительных потерь мощности для различных режимов работы сети 0,38
12 кВ без средств симметрирования и с применением технических средств снижения несимметрии токов и напряжений.
Четвертая глава посвящена исследованию показателей несимметрии токов и напряжений на физической модели сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и без него. Разработано устройство регулирования мощностью симметрирующего устройства. Рассчитана экономическая эффективность применения симметрирующего устройства.
Целью исследований является определение наиболее эффективных способов и технических средств снижения несимметрии токов и напряжений, а также оптимального места размещения технических средств в электрической сети 0,38 кВ для снижения энергетических потерь при нормализации качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.
Объектом исследования являются сельские распределительные сети 0,38 кВ, снабжающие электрической энергией производственный и коммунально-бытовой сектор, а также симметрирующие устройства, как средство снижения потерь и нормализации качества электрической энергии при несимметрии токов.
Предметом исследования является несимметрия токов и напряжений в распределительных низковольтных сетях 0,38 кВ, приводящая к потерям электрической энергии и ухудшению показателей качества электрической энергии, а так же определение наиболее целесообразного места размещения СУ в этих сетях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
проведен анализ существующих мероприятий для снижения потерь и нормализации качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ, на основе которого создана классификация способов и технических средств для нормализации качества и снижения потерь электрической энергии;
разработаны теория и методы расчета показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности,
13 обусловленных несимметрией токов, в электрической сети 0,38 кВ с сосредоточенной, распределенной нагрузками и СУ;
определено наиболее целесообразное место включения СУ в сети 0,38 кВ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии;
осуществлено экспериментальное исследование дополнительных потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и без него;
разработан способ управления мощностью симметрирующего устройства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки и техники в сфере производства сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов на период до 2005 года, утвержденного приказом Министерства науки и техники РФ, Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ и Президиума РАСХН от 30 декабря 1999 года за № 295/892/111 по направлениям:
Энергообеспечение и ресурсосбережение.
Организационно - экономический механизм функционирования АПК и обустройство сельских территорий, а также планом проведения научно-исследовательской работы кафедры Электроснабжения с.-х. Иркутской ГСХА по теме № 25-И: «Способы повышения качества и снижения потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ».
В работе использована техническая, научная, нормативная, справочная литература, а также материалы авторских заявок на изобретения.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях Иркутской ГСХА 2000-2003 гг.; на 3-й всероссийской научно-технической конференции с Международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» в г. Благовещенске в 2003 г.;
14 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в г. Москва в 2003 г.
Результаты исследований опубликованы в 14 работах, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.
Влияние несимметрии токов на работу потребителей электрической энергии и дополнительные потери мощности
Асинхронные электродвигатели. Наибольшее распространение в качестве привода в сельском хозяйстве получили асинхронные электродвигатели. В Иркутской области на балансе сельскохозяйственных предприятий насчитывается около 180 тысяч шт. электродвигателей [65].
Несимметричные токи, вызванные несимметричной нагрузкой, вследствие конечности сопротивлений линий электропередачи, вызывают несимметрию напряжений. В асинхронных электродвигателях несимметрия токов и напряжений обуславливает появление дополнительного нагрева и, как следствие, дополнительных потерь мощности. Кроме того, это приводит к появлению противодействующего вращающего момента, который уменьшает полезный момент. Уменьшение полезного момента за счет противодействующего по отношению к моменту при симметричной нагрузке, может быть определено по следующему выражению [37]: s г] -и22 s Z і k2 2-s Z22-U2 2 s Z\ «=-±-. 2.=- . -. it (1Л) где s - скольжение; Z} и Z2- сопротивления прямой и обратной последовательностей; ки- коэффициент несимметрии напряжений. Для индукционного двигателя в номинальном режиме Z2 » 0,16Zj, а максимальное скольжение при полной нагрузке равно 0,05. Поэтому [41], 0.05 1 UJ ,2 1.95 0.16 U J = - 77-Т ки- (1-2) Таким образом, уменьшение вращающего момента равняется квадрату коэффициента несимметрии напряжений. Отметим, что, так как для заторможенного двигателя s = l, a Zf = Z2 [10,41], то выражение (1.2) справедливо и для пускового режима.
Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронных электродвигателей в 5-7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой по величине составляющей напряжений обратной последовательности, возникает ток значительной величены. Этот ток обуславливает дополнительный нагрев ротора и статора, в результате чего происходит старение изоляции и уменьшается располагаемая мощность двигателя. Установлено, что срок службы полностью нагруженного асинхронного электродвигателя, работающего при несимметрии напряжений в 4%, сокращается в два раза [10, 17,37,41].
Суммарные добавочные потери мощности в асинхронных электродвигателях из-за несимметрии напряжений в сети равны 37,3%, от суммарных потерь в этих машинах, если бы последние работали при средней нагрузке и номинальном напряжении [10].
Проведенные исследования [41] показали, что уменьшение вращающего и пускового моментов асинхронного двигателя при несимметрии напряжений равно квадрату коэффициента несимметрии напряжений. При этом, более 20% асинхронных двигателей выходят из строя в результате их работы в несимметричных электрических системах [17]. Установлено [37], что допустимой несимметрией напряжений для асинхронных электродвигателей следует считать несимметрию в 2 %. Как видно из выражения (1.2), снижение вращающего момента при этом будет также незначительным. Для сохранения срока службы машины при несимметрии больше 2 % требуется либо снижение мощности на валу двигателя, либо увеличение его номинальной мощности. При коэффициенте несимметрии напряжения равном 10% располагаемая мощность асинхронного двигателя уменьшается на 20-50% [41].
Однофазные потребители. При современном уровне электрификации быта, качество электроэнергии на вводе у потребителя значительно определяет качество и эксплуатационные параметры бытовых электроприборов, их надежность и долговечность. Исследования показали, что число бытовых потребителей, получающих некачественную электроэнергию, составляет в сельской местности более половины всех абонентов [25, 44]. В современном сельском хозяйстве, как в быту, так и в производстве, имеется довольно много однофазных потребителей электроэнергии, режим работы которых сильно зависит от стабильности величины напряжения.
Потребители электрической энергии, подключенные на разные фазы несимметричной системы, могут оказаться, либо под повышенным, либо под пониженным напряжением, причем оба условия нежелательны. Особенно это относится к элементам с нелинейной вольтамперной характеристикой. Вызванные несимметрией токов отклонения фазных напряжений от номинальных значений, отрицательно влияют на работу таких потребителей. Рассмотрим влияние несимметрии напряжений на лампы накаливания. Если фазные напряжения неодинаковы, то те лампы, которые подключены к фазе с более высоким напряжением, имеют меньший срок службы, но более высокий световой поток, в отличие от ламп, подключенных к фазе с меньшим напряжением. Результаты опытов показали, что при увеличении напряжения на 5% световой поток ламп увеличивается на 20%, а срок службы уменьшается в 2 раза. При снижении напряжения на 5% световой поток уменьшается на 18%, а срок службы увеличивается в 2,4 раза. При повышении напряжения на 10% срок службы люминесцентных ламп сокращается на 20-30%, а при снижении напряжения (порядка 25-30%) зажигание газоразрядных ламп вообще невозможно [37]. Следует также отметить, что при неравномерном распределении ламп по фазам сети, сами лампы могут быть причиной появления несимметрии токов и напряжений.
Несимметрия в трехфазной четырехпроводной системе также отрицательно влияет на работу релейной защиты, снижает устойчивость электрических систем, систем автоматики, ведет к ошибкам при учете электроэнергии и т.д.
Линии электропередач и трансформаторы. Несимметрия токов в линиях электропередач, распределительных сетях и трансформаторах уменьшает пропускную способность трехфазной системы. Несимметрично расположенная нагрузка приводит к тому, что одна из фаз работает с перегрузкой, тогда как другие фазы недогружены. При передаче электроэнергии по сетям низкого напряжения потеря мощности, в случае несимметричного распределения токов по фазам, может быть в три-четыре раза больше, чем при симметричном режиме [11, 18, 27].
Метод расчета показателей несимметрии токов и напряжений для сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой и симметрирующим устройством
Сельские электрические сети 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой, как правило, характеризуются распределенной нагрузкой (рис. 2.9).
Используя выражения для показателей несимметрии напряжений в сети 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой в 1 узле, определим показатели несимметрии токов на участке 1-2 линии и показатели несимметрии напряжений в узле 2 (рис. 2.9). Схема участка электрической сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой Система напряжений в узле 1 несимметрична и задана в комплексной форме: и_на,и_Ив,и11С. Разложим эту систему напряжений на симметричные составляющие U_H!, U_H2, U_H0. Запишем комплексные коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательности в узле 1:
Схема замещения участка сети 1-2 будет аналогична схеме рис. 2.4, если нагрузку, распределенную на участке линии 2...П привести к узлу 2. В ней исключаются сопротивления і}лві, Z},ne2, Z}TI, ZLT2, Z[TO и в точках А1, В1, С1, N1 будет система симметричных составляющих напряжений Jj}Hi, LLH2, UHO узла 1, а в точках А, В, С, N1 - система симметричных составляющих напряжений ІРні,U}H2,ILHO узла 2. Таким образом, полученная цепь будет симметричной с двумя несимметричными источниками напряжений, в которой разноименные симметричные составляющие токов и напряжений не зависят друг от друга. Это позволяет составить для основной фазы трехфазной цепи три независимые схемы прямой, обратной и нулевой последовательностей (рис. 2.10).
Преобразуем эти схемы, не затрагивая источников с напряжениями Ц_н1.Ц}н2,У_нО, заменив параллельные ветви в схемах (рис.2.10) эквивалентными источниками питания с напряжениями У_э/,Ц_э2,У}эО и комплексными проводимостями Y3i, Y_.j7, Y_.j0: ІгЦ ні . U ,, = Y,+Y : Y3} - Yj +Ypl; і T -pi Иэ2 = _ Y-2 -\Ln2 . у _ у , у . \ Y?+Y і-з2 L2 + Ln? f -P2 (2.55) o0 If - 0 —»0 V -Y A-Y u -я - . LJO - Lo + LPo Zo+Ypo гДе Y_\,Y_2 ZQ -комплексные проводимости соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей линии 0,38 кВ; Y hY 2 - определяются как суммарные комплексные проводимости трехфазной симметричной нагрузки и симметрирующего устройства.
Аналогично можно определить показатели несимметрии токов и напряжений в последующих узлах нагрузки и участках линии, подставляя в выражения (2.58), (2.61) и (2.64 - 2.66) вместо К_2ин и К0ин значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности на зажимах предыдущего узла нагрузки. Таким образом, могут быть определены показатели несимметрии напряжений во всех узлах нагрузки и показатели несимметрии токов на всех участках линии 0,38 кВ.
Следует отметить, что при расчете показателей несимметрии токов и напряжений в узле «п» нагрузки, должна учитываться суммарная нагрузка, распределенная вдоль участка линии от ее конца до п-го узла включительно. При определении проводимостей необходимо учитывать проводимости У/ Y-2 Y-o участка линии между п и (п-1) узлами нагрузки.
Все методы симметрирующих устройств основаны на использовании точных исходных данных, т.е. для расчета СУ необходимо знать, как изменяются параметры нагрузки, создающие дополнительные увеличение тока нулевой последовательности.
Рассмотрим методы расчета наиболее эффективных СУ: конденсаторного и электромагнитного.
В распределительных сетях 0,38 кВ, наиболее целесообразно использование шунто-симметрирующих устройств на индуктивно-емкостных элементах. Оно состоит из трех конденсаторных батарей равной мощности с сопротивлением Хс , которые соединяются между собой по схеме четырех лучевой звезды (рис. 6 а, П. 1)
Мощность конденсаторных батарей выбирается из условия компенсации реактивной мощности токов прямой последовательности [20]. Мощность емкостных элементов данного КШСУ определится из следующего выражения; Qc =$фШ Р„ sin9K) (2.67) где sin(pH и sin pK - значение синуса углов сдвига фаз, соответствующее начальному и конечному значениям коэффициента мощности в сети. Мощность одной батареи конденсаторов;
Расчет и анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ
Для определения показателей несимметрии токов и напряжений и потерь мощности в сети 0,38 кВ предполагаем, что питание нагрузки осуществляется по схеме (рис. 3.1). Нагрузка, например, мощностью 40 кВА распределена поровну между четырьмя узлами по 10 кВА на каждый узел.
Расчет был произведен при следующих исходных данных: - длина ВЛ 10 кВ взята по нормам надежности электроснабжения, равная 16,7 км. Комплексное сопротивление прямой (обратной) последовательности этой линии, выполненной проводом марки АС-35, приведенное к напряжению 0,4 кВ: Іяві = ZM2 = 0,0243 4- ./0,0/ = 0,0263 ej22 45" Ом ; 105 ВЛ 10 кВ ТП 10/0,4 ВЛ 0,38 кВ 1 узел 2 узел 3 узел 4 узел
Нагрузка Рис. 3.1 Схема распределительной сети 0,38 кВ - питание нагрузки осуществляется от потребительской подстанции ТП 10/0,4 кВ с трансформатором со схемой соединения обмоток «звезда- звезда с нулем» мощностью SHOM = 40 кВА. Сопротивление прямой (обратной) последовательности трансформатора: ZTJ = ZT2 = 0,09 + j0,156 = 0,18- етґ Ом. Комплексное сопротивление нулевой последовательности трансформатора ZT0 =1,133 + jl, 73 = 2,068 eJ56 78 Ом; - длина всей ВЛ 0,38 кВ составляет 0,5 км; - линия выполнена проводом марки 4А-50. Длина каждого из участков линии между потребительскими узлами нагрузки составляет 0,125 км. Сечение фазных и нулевого проводов приняты одинаковыми. Комплексные сопротивления прямой (обратной) последовательностей каждого из участков линии 0,38 кВ равны: Z,Hl=Z,ll2=(0J15 + j0,148)/4 = (0,348/4)-ej25 24" = 0,087-eJ25 Ом. ZmiQ =(1,26 + j0,47)/4 = (1,345/4)-ет46 =0,336 -ет46 Ом. 106 А Комплексные сопротивления Zxl - Zx2, Zx0 принимаем равными соответственно Zwi = Z 1н2, ZnH0, т.е. 2XI = Zx2 = Z,H, = Z,H2 = 0,087 2"4 Ом; Zx0 = 2ш0 = 0,336 70-46" Ом. В этом случае, рассчитанные коэффициенты К2их и К0ш будут Щ соответствовать этим же коэффициентам на шинах трансформатора 10/0,4 кВ, т.к. расстояние «X» будет равно длине лини 0,38 кВ; - каждый узел нагрузки в конце участка В Л 0,38 кВ содержит трехфазные симметричные электроприемники - асинхронные электродвигатели общей мощностью Ss с cos (р = 0,8 и однофазные электроприемники мощностью SH с cos (р — 0,9, неравномерно распределенные по трем фазам; - симметрирующее устройство рассчитывается по методике, изложенной в главе 2; -расчеты выполнены для различных соотношений мощностей Ss и SH при номинальной мощности трансформатора, т.е. соблюдено следующее условие: Рч + Рн = 1$ = const где рн=ра + рв+рс= - - . ном ном иом
Полные мощности и комплексы проводимостей отдельных фаз трехфазной симметричной и несимметричной нагрузок определены на основании статистических характеристик несимметрии токов в сельской сети по аналитическим выражениям в соответствии с [27 , 28]: 107 - относительные значения мощностей симметричной и несимметричной нагрузок в каждом из узлов изменяются в соответствии с табл. 3.3-3.5; - углы сдвига фаз трехфазной симметричной и несимметричной нагрузок приняты в соответствии со среднестатистическими данные несимметрии токов в сетях и соответственно равны [27]:
Проведёнными исследованиями [54] установлено, что для повышения КЭЭ и снижения дополнительных потерь мощности, наиболее эффективным средством является использование симметрирующих устройств (СУ), обладающих малым сопротивлением токам нулевой последовательности. Исследованиями, проведенными ранее с сосредоточенной симметричной и несимметричными нагрузками определено, что наибольшее снижение потерь мощности, обусловленных несимметрией токов, а также значительное уменьшение коэффициентов обратной и нулевой последовательностей напряжений в узле нагрузок.
Основной задачей при проведении математического моделирования режимов работы сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой является определение наиболее целесообразного места установки СУ с целью достижения наиболее эффективного снижения дополнительных потерь мощности и минимизации коэффициентов, характеризующих качество электрической энергии, при различных несимметричных режимах. Для решения этой задачи были проведены исследования несимметричных режимов работы в сети 0,38 кВ на её математической модели. Исследования осуществлялись для трех режимов работы электрической сети 0,38 кВ: трёхфазные симметричная и несимметричная нагрузка и СУ, трехфазная симметричная, двухфазная нагрузка и СУ, трехфазная симметричная, однофазная нагрузка и СУ.
Для математического моделирования несимметричных режимов работы сети 0,38 кВ с распределенной нагрузкой и симметрирующим устройством использовалась компьютерная программа «Несимметрия». По результатам расчетов были построены диаграммы распределения исследуемых коэффициентов К2и,К0и и КР.
Параметры физической модели сети 0,38 кВ
Применение шунтосимметрирующего устройства в распределительной сети 0,38 кВ значительно снижает потери электрической энергии, обусловленные несимметрией токов, а также существенно улучшает показатели качества электрической энергии.
Наиболее эффективной работа шунтосимметрирующего устройства достигается при возможности автоматического регулирования его мощности в зависимости от значения показателей несимметрии токов и напряжений. Данная задача достигается несколькими способами: - применение следящей системы, обеспечивающей включение ШСУ при повышении тока нулевой последовательности определенного для данного вида нагрузки значения и его отключение при достижении током нулевой последовательности определенного минимального значения, при котором показатели качества электрической энергии не выходят за пределы установленные ГОСТ 13109-97; - использованием определенных типов реле (реле времени), отключающих или включающих ШСУ в определенное время. Эти периоды времени определяются на основе анализа графиков изменения коэффициентов несимметрии токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей для каждого конкретного узла сельскохозяйственной нагрузки; - применение комплексных устройств автоматического симметрирования трехфазной нагрузки.
Основным недостатком первых двух способов является то, что для их осуществления требуется тщательное изучение состояния несимметрии токов и напряжений в распределительной сети 0,38 кВ, проведение предварительного анализа изменения этих показателей в течение времени суток и, и на основе проведенного анализа, выбор первого или второго способа работы ШСУ.
Наиболее эффективным способом регулирования из перечисленных выше является способ с применением комплексных устройств автоматического симметрирования трехфазной нагрузки.
Известные устройства для автоматического регулирования несимметрии и уровня напряжения трехфазной системы содержат, в основном, исполнительные органы параллельного и последовательного включения, измерительно-регулирующие органы токов обратной и нулевой последовательностей, системы регулирования напряжения и операционные усилители [86, 87, 91, 108, 113, 123]. Недостатками этих устройств являются сложность схем управления элементами исполнительного органа, низкое быстродействие и точность регулирования.
С целью повышения качества симметрирования токов и напряжений в трехфазной сети с нулевым проводом нами разработано устройство, позволяющее обеспечить автоматическое регулирование мощности симметрирующего устройства с достаточной точностью, а также снизить количество силового и управляющего оборудования. Указанная задача достигается тем, что напряжение, снимаемое с шунта, включенного в разрыв нулевого провода, пропорционально току нулевой последовательности. Снимаемое через усилитель напряжение регулирует мощность симметрирующего устройства (СУ) посредством тиристорного регулятора мощности, в зависимости от величины тока нулевой последовательности.
Работа предлагаемого устройства поясняется схемами, изображенными на рис. 4.28-4.30.
На рис. 4.28 представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит трехфазный источник питания 1, несимметричную переменную нагрузку 2, трехфазный тиристорный регулятор мощности 3, компенсирующее шунтосимметрирующее устройство (КШСУ) 4, измерительный шунт 5, усилитель 6, задатчик 7, исполнительный механизм 8.
На рис. 4.29 представлена принципиальная электрическая схема трехфазного тиристорного регулятора мощности, в которую входят: 9, 10 -силовые тиристоры; 11, 12 - диоды; 13, 14 - полярные конденсаторы; 15, 17 -резисторы; 16 - реохорд.
На рис. 4.30 представлена функциональная схема устройства, которая содержит: RA, RB, Rc - сопротивления реохордов трехфазного тиристорного регулятора мощности; Rm - сопротивление измерительного шунта; Rb R2 -сопротивления делителя напряжения; С] - разделительную емкость; R3 -сопротивление реохорда обратной связи.
Мощность шунтосимметрирующего устройства (4) определяется выражением Qiucy = i Ід тах где %i емкостное сопротивление КШСУ; 1дтах - максимальное значение тока нулевой последовательности. Принцип действия предлагаемого устройства заключается в следующем.
Тиристорный регулятор мощности входными зажимами А, В, С подключается при помощи кабеля к трехфазной линии к соответствующим фазам А, В, С этой линии, а выходные зажимы тиристорного регулятора А1, В1, С1 подключаются к компенсирующему шунтосимметрирующему устройству, к его линейным зажимам, нулевой зажим КШСУ соединяется проводом с нулевым проводом трехфазной четырехпроводной линии.
Токи нулевой последовательности, возникающие при включении несимметричной переменной нагрузки 2, через тиристорный регулятор мощности 3 пропорционально изменяют фазные напряжения на КШСУ 4. Фазное напряжение, приложенное к точкам А и А1 создает ток в цепи делителя напряжения, состоящего из резисторов 15, 17 и реохорда 16. Величина этого тока зависит от положения движка реохорда. Ток, протекающий через делитель напряжения, создает ровные падения напряжения на резисторах 15, 17, которые выпрямляются диодами 11, 12 и сглаживаются полярными конденсаторами 13, 14.
