Содержание к диссертации
Введение
Применение технических средств симметрирования нагрузок в сельских распределительных сетях 0,38 KB для повышения качества и снижения потерь электрической энергии 15
1Л. Работа сетей сельского электроснабжения в условиях несимметричных нагрузок : 15
1.2. Статистический анализ несимметричных режимов работы сельских распределительных сетей 17
1.2.1 Качество электрической энергии и дополнительные потери мощности при несимметричной нагрузке 17
1,2,2, Определение показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ 19
1.23. Анализ показателей качества электрической энергии и коэффициента дополнительных потерь мощности в сельских распределительных сетях 0>38 кВ 21
1.3. Способы и технические средства снижения несимметрии нагрузок в сельских распределительных сетях 0,38 кВ 36
1,3Л- Изменение сопротивления нулевой последовательности сети.,,40
1,3.2. Перераспределение нагрузок по фазам сети 41
1,3.3- Автоматическое подключение однофазной нагрузки к наименее загруженной фазе 42
1.3.4. Применение замкнутых и полузамкнутых схем сети 0,38 кВ 42
1.3.5. Изменение схемы соединения обмоток распределительного трансформатора 44
1.3.6. Использование нейтралеров 46
1.3.7. Применение шунто-симметрирующих устройств 48
1.3.8. Использование реакторов 50
1.3.9. Устройства, компенсирующие токи обратной и нулевой последовательности 52
1.4. Выводы 52
2. Математические модели режимов работы сети 0,38 KB и методы расчёта показателей качества электрической энергии 54
2.1. Модульный метод расчёта 54
2.1.1. Расчёт показателей несимметрии токов 54
2.1.2. Расчёт показателей несимметрии напряжений. 57
2.1.3. Расчёт отклонения напряжения 59
2.2. Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений для сетей 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством 60
2.3. Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений для сетей 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством 78
2.4. Методы расчёта симметрирующих устройств 84
2.4.1. Расчёт ёмкостно-индуктивного (конденсаторного) шунто-симметрирующего устройства 84
2.4.2. Расчёт электромагнитного шунто-симметрирующего устройства 87
2.5. Выводы 91
3. Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии в сетей 0,38 кв с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством 92
3.1. Программа «Симметрирование» 92
3.1.1. Исходные данные 92
3.1.2. Описание программы «Симметрирование» 93
3.2. Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии и коэффициента потерь мощности в сети 0,38 кВ 94
3.2.1. Сеть 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 99
3.2.2. Сеть 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, двухфазной нагрузками и симметрирующим устройством 103
3.2.3. Сеть 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, однофазной нагрузками и симметрирующим устройством 107
3.3. Выводы 112
Экспериментальное исследование и экономическая целесообразность применения симметрирующего устройства
4.1. Исследование показателей качества электрической энергии на физической модели сети 0,38 кВ 113
4.1.1. Параметры физической модели сети 0,38 кВ ИЗ
4.1.2. Параметры модели симметрирующего устройства 117
4.1.3. Методика проведения эксперимента 120
4.1.4. Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности 123
4.1.4.1. Сеть 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 123
4.1.4.2. Сеть 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, двухфазной нагрузками и симметрирующим устройством 125
4.1.4.3. Сеть 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, однофазной нагрузками и симметрирующим устройством 129
4.2.1. Исследование несимметричных режимов работы действующей сети 0,38 кВ 132
4.2.2. Расчёт СУ для действующей сети 0,38 кВ 134
4.2.3. Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии и коэффициента мощности в действующей сети 0,38 кВ 135
4.3. Управление симметрирующим устройством 140
4.3.1. Автоматическое управление КШСУ 141
4.3.2. СУ с саморегулируемой индуктивностью 144
4.3.3. Управление мощностью СУ 147
4.4. Экономическая эффективность применения СУ для снижениятпотерь мощности и повышения качества электрической энергии, обусловленных несимметрией токов 148
4.4.1. Методика расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов при помощи СУ 148
4.4.2. Метод расчёта снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ за счёт компенсации реактивной мощности 149
4.4.3. Потери электрической энергии в СУ 150
4.4.4. Определение экономического эффекта от внедрения СУ 153
4.4.5. Расчёт экономического эффекта при применении КШСУ в исследуемой сети 0,38 кВ 155
4.5. Выводы 158
Заключение 159
Литература
- Качество электрической энергии и дополнительные потери мощности при несимметричной нагрузке
- Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений для сетей 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством
- Описание программы «Симметрирование»
- Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности
Введение к работе
В современных условиях развития элеетрификации сельского хозяйства, характеризующейся увеличением мощностей нагрузок сельскохозяйственных предприятий, развитием электротехнологии и автоматизации технологических процессов, а также повышением степени использования электрического оборудования, следует уделять особое внимание наиболее эффективному использованию электрической энергии.
Эффективность использования электрической энергии определяется в основном созданием таких условий её потребления, при которых обеспечивается требуемое качество электрической энергии (КЭЭ) и минимум производительных потерь. Актуальность вопроса улучшения качества и уменьшения потерь электрической энергии особенно возрастает в условиях объективно-несимметричной работы электроприёмников в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ.
Одним из способов достижения поставленной цели является воздействие на показатели качества электрической энергии (ПКЭ), Нормы и качество электрической энергии регламентирует ГОСТ 13109 97, который устанавливает нормально и предельно допустимые значения в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трёхфазного и однофазного тока частотой 50 Гц [88]. К одним из основных показателей качества электрической энергии (ПКЭ) в распределительных сетях 0,38 кВ относят коэффициенты несимметрии обратной и нулевой последовательностей напряжения (нормированные значения составляют: 2 % -нормальное и 4 % - предельно допустимое) и отклонение напряжения (± 5 % - нормальное, ± 10 % - предельно допустимое) [88].
Качество электрической энергии у потребителей, наряду с надёжностью электроснабжения, является одной из важных характеристик электрических сетей при рассмотрении вопроса её эффективного потребления. Низкое качество электрической энергии оказывает существенное влияние, как на рабочие, так и на технико-экономические характеристики элементов сети и характеристики электроприёмников. При ухудшении качества напряжения, повышается нагрев элементов сети, увеличиваются потери мощности. Кроме того, происходит снижение эксплуатационной надёжности и сокращение срока службы электродвигателей; возникает ряд отрицательных электромагнитных явлений в сетях, увеличиваются дополнительные потерн электрической энергии, обусловленные несимметрией токов (при несимметричных режимах работы распределительных сетей эти потери составляют 49,2 %, что составляет 32 % общих потерь в электрических сетях) [72]. Например, около 4 % всей потребляемой сельским хозяйством электрической энергии дополнительно теряется в асинхронных электродвигателях при их работе в сетях с постоянно несимметричной системой напряжений, возникающей вследствие несимметрии токов [17]. Так увеличение напряжения на 10 % ведет; к возрастанию светового потока и освещенности рабочей поверхности до 40 %, уменьшается срок службы ламп накаливания втрое; к увеличению потребления реактивной мощности сети, что снижает коэффициент мощности. Уменьшение напряжения сети на 10 % приводит к уменьшению светового потока ламп накаливания до 40 %; уменьшению момента вращения электродвигателя на 20 % [20].
В современных развитых сетях обеспечение показателей качества электрической энергии, приемлемых для потребителей, требует значительных затрат денежных средств и материалов. На настоящее время наблюдается неуклонный процесс снижения инвестиций в энергетику [56], что, в совокупности с низкой эффективностью использования уже поступивших инвестиций, приводит к недопустимому сокращению ввода новых и замещающих мощностей. К 2015 году выработает свой ресурс почти 70 % имеющихся мощностей [72].
При продолжении этих тенденций уже в недалеком будущем (2004 -2007 г.г-) электроэнергетическая отрасль может столкнуться с кризисом, который окажет негативное влияние на экономику и население страны [39].
Поэтому в настоящее время выбор правильных решений по развитию электроэнергетики, механизмов и структуры её управления имеет ключевое значение для будущего не только энергетики, но и всей экономики страны в целом. Объём ввода новых мощностей до 2015 года оценивается: линий электропередачи (ЛЭП) 330 кВ — 15 тыс- км, 220 кВ — 15 тыс. км, 110 кВ — 55 тыс. км, 0,38 кВ - 20 тыс. км. [72]. Существенно возросла цена на сооружение высоковольтных ЛЭП. Во многих регионах страны ставится вопрос об оплате стоимости отводимой под пролёты опор участков земли, а также арендной плате земельного коридора вдоль линии. В связи с этим наиболее целесообразным является более рациональное использование инвестиций при строительстве новых и реконструкции старых ЛЭП. Решение этого вопроса может быть осуществлено путём максимального использования линий электропередачи за счёт увеличения их пропускной способности и управления передаваемой по ним мощности, а так же глубокого и тщательного анализа структуры передаваемой электроэнергии, её качества и возникающих потерь.
Большой вклад в решение научных проблем повышения эффективности электроснабжения сельского хозяйства, снижения потерь, повышения качества электрической энергии внесли отечественные ученые Будзко И.А., Левин М. С, Лещинская Т, Бм Мурадян А- Е,, Григорьев Н. Д., Косоухов Ф. Д., Железко Ю. С, Поспелов Г, Е-, Наумов И. В, и др. Научные школы этого направления сложились в Московском, Санкт-Петербургском государственных аграрных университетах, в Белорусском, Новочеркасском и других технических университетах. Исследования, посвященные проблеме улучшения качества и снижения потерь электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, непосредственно связаны с решением задачи симметрирования режимов работы этих сетей.
Авторами [6,17,20, 23, 39, 49, 54, 72,95 и т.д.] предлагаются различные по стоимости и конструкции устройства, а так же способы для улучшения качества и уменьшения непроизводительных потерь электрической энергии.
Однако, для правильной оценки эффективности использования энергии необходим более глубокий анализ режимов работы сельских сетей 0,38 кВ, а так же разработка наиболее совершенных методов расчёта показателей качества ЭЭ.
Многочисленные исследования, посвященные анализу режимов работы сельских сетей низкого напряжения [58, 72, 90 и др.] показали, что несимметрия токов обусловлена работой коммунально-бытовой нагрузки, основную часть которой составляют неравномерно распределённые однофазные элеюроприёмники, имеющие случайный характер включения. При общем рассмотрении сети 0,38 кВ можно выделить следующие несимметричные режимы работы:
1. Режимы, возникающие при аварийных ситуациях (короткое замыкание, потеря фазы).
2. Режимы, вызванные неравномерным распределением однофазных потребителей (систематическая или неслучайная несимметрия),
3- Режимы, возникающие при случайном характере включении и отключений, однофазных электроприёмников в течение времени суток (вероятностная несимметрия). 4. Неполнофазные (двух- и однофазные) режимы работы распределительных сетей.
С каждым годом в сельских распределительных сетях 0,38 кВ наблюдается рост коммунально-бытовых нагрузок. Причём увеличивается, как правило, мощность однофазных потребителей (электроплиты, электрочайники и т.п.). Следствием этого является увеличение несимметрии токов и напряжений, то есть значений их симметричных составляющих обратной и нулевой последовательностей- Например, ток обратной последовательности в трёхфазных асинхронных электродвигателях может достигать больших значений даже при малых значениях напряжения обратной последовательности (из-за небольшого сопротивления обратной последовательности) [54]. Это приводит к дополнительному нагреву электродвигателей, быстрому старению изоляции и сокращению сроков их службы [35]. В низковольтных сетях из-за несимметрии нагрузок и неравномерности графика потребления значительно увеличиваются потери мощности, ухудшается качество электрической энергии у потребителей (в низковольтных сетях потеря электрической энергии по расчёту должна быть 2...3 % от передаваемой мощности, в действительности она составляет 12 ..18 % [72]). По причине несимметрии напряжений в сети, суммарные добавочные потери мощности в двигателях равны 37,3 % от суммарных потерь в этих же машинах, если они работают при средней нагрузке и номинальном напряжении [72], Несимметрия токов приводит к возрастанию потерь мощности и энергии в сетях на 30...,50 %, по сравнению с симметричным режимом [26]. Кроме того, причиной низкого качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ является высокий уровень реактивной мощности (cos ф = 0,6....0,8), появление которой связано с применением большого числа асинхронных электродвигателей и отсутствием соответствующих компенсирующих устройств.
Несимметрия напряжений отрицательно влияет на работу практически всех электроприёмников. Например, при работе асинхронных двигателей, в условиях несимметрии нагрузок, наблюдается сбой в системе автоматического управления и контроля, уменьшается вращающий момент, появляется вибрация, сокращается срок службы почти вдвое [102]. Кроме того, при несимметрии напряжений ухудшается работа конденсаторных установок, а так же средств релейной защиты и автоматики. Напряжение, не удовлетворяющее требованиям ГОСТа 13109-97, причиняет значительный материальный ущерб, ухудшает технико-экономические показатели работы системы электроснабжения в целом. Поэтому, наряду с разработкой точных методов оценки неблагоприятного влияния несимметрии токов и напряжений на режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ, актуальной является проблема разработки средств выравнивания режима электропотребления и симметрирования фазных нагрузок.
Уменьшения потерь и повышения качества электроэнергии можно добиться разными способами и средствами [17, 54, 72, 97 и др.]. При этом каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Например, применением такого способа, как перераспределение однофазных нагрузок не удается минимизировать случайную несимметрию токов (хотя дополнительные потери мощности снижаются на 15 - 20 %) [72], К тому же случайная несимметрия токов характеризуется вероятностным режимом работы присоединенных однофазных приёмников и является постоянно действующим фактором в сетях 0,38/0,22 кВ даже при одинаковой суммарной мощности фаз.
Стремление к сокращению протяжённости распределительных сетей может привести к их формированию, как разветвлённых радиальных сетей. Такие сети, как известно, имеют ряд особенностей. Во-первых, токовые нагрузки одной и той же линии, например, в начале её и в конце, резко различны, что может приводить к затруднениям при выполнении чувствительной защиты распределительных сетей от коротких замыканий. Во-вторых, существенно отличаются между собой значения напряжения в различных точках сети, что является одной из основных причин, усложняющих задачу обеспечения надлежащего качества электрической энергии у потребителей,
В настоящее время несимметричные режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ изучены не в полной мере в связи с трудностями, возникающими при экспериментальных исследованиях в действующих сетях и отсутствия современных методов расчёта этих режимов. Для получения более точных результатов, при проведении экспериментальных исследований, требуется регистрация значительного числа параметров (девяти и более), а так же наличия высокоточной многоканальной измерительной аппаратуры. Усложняет решение этой задачи и то, что регистрация параметров необходима в многочисленных точках сети. Отсутствие достоверной и полной информации о режиме работы сети не позволяет обеспечить эффективные меры по снижению уровня несимметрии токов и напряжений.
Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ тесно связано с решением проблемы снижения несимметрии токов в этих сетях. Поэтому актуальным и своевременным является рассмотрение вопросов, связанных с разработкой способов снижения несимметрии токов и подготовкой практических рекомендаций использования мероприятий по уменьшению потерь электрической энергии.
Актуальность темы исследования обусловлена возрастанием удельного веса мощных однофазных электроприёмников в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, что приводит к увеличению дополнительных потерь электрической энергии и снижению её качества.
Цель диссертационной работы: повышение качества и снижение потерь электрической энергии при несимметрией токов в сельских распределительных сетях 0,38 кВ путем научного обоснования и выбора технических средств симметрирования несимметричных режимов работы этих сетей.
Объект исследований: сельские распределительные сети 0,38 кВ.
Предмет исследованиях несимметричные режимы работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ.
Основными задачами исследования являются:
1. Анализ режимов работы действующих сетей 0,38 кВ.
2. Анализ существующих средств и выбор наиболее целесообразного технического решения для снижения несимметрии токов и напряжений.
3. Разработка методического и программного обеспечения для анализа изменения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) при Различных режимах работы сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством (СУ) 4. Разработать способы управления работой СУ. Щ Научная новизна исследования заключается в комплексном исследовании фаеторов, определяющих снижение потерь и повышение качества электрической энергии в низковольтных сетях, в установлении взаимосвязи между ними, получении моделей, описывающих эти зависимости, анализе и обобщении теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
1. Создана классификация способов и технических средств по снижению несимметрии нагрузки,
2. Разработан метод расчёта ПКЭ в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством.
3. Осуществлено экспериментальное исследование и проведён анализ 0 ПКЭ и дополнительных потерь мощности на математической, физической моделях и в действующей сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и без него,
4. Разработаны способы управления работой симметрирующего устройства.
Положения выносимые на защиту;
- результаты анализа способов и технических средств снижения несимметрии токов и напряжений;
- метод, программа расчёта и анализ ПКЭ и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и СУ;
Л - результаты экспериментальных исследований ПКЭ и дополнительных потерь мощности в действующей сети 0,38 кВ с СУ;
- способы управления работой СУ, Публикация и апробация результатов работы.
Научные результаты исследований изложены в 12 публикациях. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ИрГСХА (2000-2003 г.г.), конференциях БГУЭиП, ИрГТУ (2002-2003 г.р-) Полностью работа докладывалась на кафедре Электроснабжения ИрГСХА, кафедре Электроснабжения ИрГТУ и кафедре ЭиТОЭ АлтГТУ,
Внедрение результатов работы. Результаты исследований применены в следующих хозяйствах Иркутской области: ЗАО «Иркутскпромстрой», КФХ «Бобко», ООО ВСТК «Шик», СХПК «Годовщина Октября», ОПХ «Сибиряк»,
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформированы цели и задачи диссертации, охарактеризована её структура, показана научная новизна работы, определены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации посвящена анализу режимов работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ. Проведены статистические исследования показателей качества ЭЭ и коэффициента потерь мощности в сетях Иркутской области.
Во второй главе рассматривается метод расчёта показателей качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ с симметрирующим устройством и методы расчёта симметрирующих устройств.
Третья глава посвящена теоретическому исследованию показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности.
В четвертой главе предлагаются экспериментальные исследования на физической модели и в действующей сети 0,38 кВ, а так же расчёт экономической целесообразности применения симметрирующего устройства.
В заключении сформированы основные выводы и результаты.
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, утверждённого 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:
1. Энергообеспечение и ресурсосбережение.
2. Организационно-экономический механизм функционирования АПК и обустройство сельских территорий.
Качество электрической энергии и дополнительные потери мощности при несимметричной нагрузке
На современном этапе развития сельскохозяйственное производство -j претерпевает существенные изменения. Значительно возрастает присутствие мощной однофазной нагрузки, наблюдается интенсивный рост крестъянско фермерских хозяйств, требующих ввода в эксплуатацию все больших мощностей.
На стадии проектирования сельскохозяйственных объектов, при рассмотрении схемы распределения низковольтных (0,38 кВ) сетей, необходимо учитывать установленную мощность отдельных электроприёмников для того, чтобы осуществить их равномерное распределение по фазам. Но следует отметить, что при реальном подключении электропотребителей к распределительной сети 0,38 кВ не " всегда соблюдаются требования симметричного присоединения, в результате чего в сети заблаговременно создается несимметрия токов [104]. Задача снижения несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ актуальна для всех регионов страны. Для электрических сетей Иркутской области повышение качества и снижение потерь электрической энергии, обусловленных несимметрией нагрузок, так же остается одной из не решаемых проблем. Во многих отношениях это связано с отсутствием достоверной информации о состоянии сельского электроснабжения и Ч несимметричных режимов работы [72].
В Иркутской области протяженность сельских линий электропередачи 0,38 кВ составляет около 8 тыс. км, значительная часть которых находится в неудовлетворительном техническом состоянии, обусловленном фактором морального старения и физического износа [72], Реконструкция старых электросетей, проектирование и строительство новых требуют не традиционных подходов, позволяющих учитывать изменения, как параметров состояния системы, так и самой системы.
Ухудшает создавшееся положение и то, что энергоснабжающие предприятия проявляют слабую заинтересованность в разработке мероприятий, снижающих несимметрию токов и напряжений. Следует отметить, что руководители многих хозяйств предпочитают затрачивать средства на приобретение и ремонт оборудования, вышедшего из строя по причине низкого качества электрической энергии и переплачивать за потери мощности, обусловленные несимметрией токов, нежели на заключение договоров по установке в этих сетях компенсирующих и симметрирующих устройств, осуществляющих реальную экономию денежных средств [20, 72, ПО].
Исследования сельских распределительных сетей 0,38 кВ, проводимые СГТбГАУ, ИрГСХА, отдельными НИИ показали, что в этих сетях имеет место значительная несимметрия токов, напряжений и отклонение напряжения, в совокупности приводящие к снижению эффективности использования электрической энергии [48, 49, 72].
Сельские распределительные сети 0,38 кВ имеют большую протяжённость и достаточно сложную конфигурацию. Они содержат неполнофазные участки (двух- и трёхпроводные) различной мощности, а так же большое число однофазных потребителей- Следовательно, режимы таких сетей уже заведомо являются несимметричными. Наличие неснмметрии токов в таких сетях приводит к резкому ухудшению качества напряжения у потребителей, с увеличением отклонения напряжения по мере увеличения длинны линии. К примеру, работа электротермических установок при значи тельном снижении напряжения существенно ухудшается, так как увеличивается длительность технологического процесса, потери активной мощности в стали трансформаторов изменяются пропорционально квадрату изменения числа вольт, приходящихся на виток первичной обмотки трансформатора, а намагничивающая мощность трансформаторов резко меняется с изменением напряжения, подводимого к трансформатору [17]. Кроме того, несимметрия токов приводит к большим дополнительным потерям (свыше 50 %) электроэнергии при её транспортировке. Всё это сказывается на работоспособности электрооборудования, его надёжности [72], правильной работе системы управления и защиты, на снижении эффективности использования электроэнергии. Решение этой проблемы позволит не только повысить экономию электроэнергии, но и создать благоприятные условия для долгосрочной и безотказной работы элекгроприёмников.
Несимметрия токов в обмотках трансформатора и фазах линии электропередачи приводит, во-первых, к несимметрии напряжений у потребителей, а во-вторых, к дополнительным потерям мощности в них.
Основными показателями, характеризующими величину несимметрии нагрузок, на которые следует обратить внимание, являются коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения, отклонение напряжения и коэффициент дополнительных потерь мощности.
Коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения являются нормированными значениями [88] и определяются: где U2 — комплексное значение напряжения обратной последовательности; U, — комплексное значение напряжения прямой последовательности; U0 — комплексное значение напряжения нулевой последовательности.
Электрическое оборудование, используемое в электрических сетях и электроустановках, рассчитано для работы в симметричном режиме. Несимметрия нагрузок, а, следовательно, несимметрия токов и напряжений в сети приводит к снижению эффективности его работы. Очевидно, что снижение эффективности работы электрооборудования, которое проявляется в виде дополнительных потерь мощности и сокращения его срока службы, приводит к экономическому ущербу.
Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений для сетей 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством
Симметрирующий эффект может создаваться так же увеличением мощности источников питания [9], применением полузамкнутых или замкнутых схем сетей [75]; применением многофазных схем выпрямления [104], при условии питания токоприёмников постоянным током; введением добавочной системы э. д.с. [61 ], за счёт разности коэффициентов трансформации фаз или за счёт падения напряжений от токов нагрузки на разных сопротивлениях фаз (так называемая компенсация продольной несимметрии).
Симметрирование системы питающих напряжений может быть осуществлено и за счёт компенсации напряжения нулевой последо-вательностн включением в линию дополнительного трансформатора, первичные обмотки которого соединены по схеме «звезда с нулевым выводом», а вторичные, включаемые между выводом трансформатора и нулевым проводом, - «разомкнутый треугольник» [35],
Воздействовать на систему напряжений так же возможно за счёт продольно-ёмкостного регулирования э.д.с, обратной последовательности [101].
Оценка эффективности предлагаемых способов симметрирования, показывает следующее.
При неравномерной нагрузке в наиболее загруженной фазе сети наблюдается значительное снижение напряжения за счёт наибольшей величины потерь напряжения в фазном проводе и смещения нейтрали напряжений в сторону этой фазы. В наименее загруженной фазе при этом может наблюдаться повышение напряжения.
Если симметрирование напряжений предполагается достигнуть за счёт увеличения напряжения в наиболее загруженной фазе и снижения его в менее загруженной, то при этом произойдёт увеличение тока в той, где он и так был самым большим, и к уменьшению в той фазе, где он был самым меньшим. Таким образом, несимметрия токов нагрузки, а вместе с тем и потери энергии еще больше возрастут.
Так как при воздействии на системы напряжений не устраняется главная причина - несимметрия нагрузки, то этот способ оказывается недостаточно эффективным или эффективным в небольшом количестве случаев.
2) Воздействие на параметры сети Изменение параметров трёхфазной питающей системы для снижения несимметрии напряжений может быть осуществлено: - за счёт уменьшения длины линии [9]; - увеличением сечений фазных и нулевого проводов [71]; - уменьшением сопротивления нулевой последовательности сети за счёт: а) применения шунтовых симметрирующих устройств [37], б) компенсации индуктивной составляющей сопротивления питающих трансформаторов введением в цепь нулевого провода батарей конденсаторов [65, 118], в) подключения нейтралеров, включаемых по схеме «встречный зигзаг с нулевым проводом» [35], г) замены трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/YH трансформаторами со схемой соединения Y/ZH или Д/YH [35], д) уменьшения сопротивлений повторных заземлений на линиях [66], е) подключения в дневное время суток параллельно нулевому проводу провода, питающего уличное освещение [72], ж) частичным уменьшением сопротивления нулевой последовательности распределительных трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/YH при установке короткозамкнутых витков вокруг трёх фаз [35].
Учитывая, что величина несимметрии нагрузки не остаётся постоянной, симметрирование токов и напряжений за счёт изменения сопротивления отдельных фаз линии не всегда является эффективным.
3) Воздействие на систему токов нагрузки Симметрирование токов нагрузки может быть осуществлено включением однофазных электроприёмников не на фазные, а на линейные напряжения, если это возможно [100]. Изменение величины фазных токов может так же быть достигнуто переключением однофазных нагрузок с одной (более загруженной) фазы на другую (менее загруженную) с помощью схем автоматики [72] или подключением в недогруженные фазы дополнительных сопротивлений [54].
Симметрирующий эффект создаётся недогруженными асинхронными . двигателями [97], применением для привода механизмов синхронных I двигателей вместо асинхронных [54], за счёт трансформаторных преобразователей [35], компенсацией пульсирующей мощности при помощи статических преобразователей [34], применением несимметрично включённых батарей конденсаторов для компенсации коэффициента мощности и симметрирования токов нагрузки [101].
Метод воздействия на систему токов нагрузки в сетях получил наиболее широкое применение и считается наиболее перспективным, так как при этом устраняются причины несимметрии режима, одновременно решаются задачи улучшения качества напряжения и снижения потерь электрической энергии.
В соответствии с предлагаемой классификацией {рис. 1.9) проведём w анализ существующих способов и технических средств симметрирования режимов работы распределительной сети 0,38 кВ, Сопротивление нулевой последовательности распределительной сети 0,38 кВ (R0)B 10,..15 раз больше сопротивления прямой последовательности (R,) [84]. Поэтому, даже при малых токах нулевой последовательности (10), составляющая фазных напряжений той же последовательности (U0) будет велика, так как U0 = I0 R0. Это приводит к значительной несимметрии фазных напряжений- Уменьшением R0 можно снизить величину U0. Вместе с этим исследованиями установлено [97], что уменьшение R0 сети приводит к увеличению в ней токов нулевой и обратной последовательностей, соответствующему увеличению коэффициентов нулевой и обратной последовательностей токов, и» следовательно, к возрастанию потерь мощности.
Кроме того, сечения фазных и нулевых проводов выбираются по экономическим нагрузкам, которые соответствуют минимуму приведённых затрат. Переход на следующий номинал сечения провода требует дополнительных капитальных вложений, которые составляют 6 % от стоимости сети, что приводи к её ощутимому удорожанию [90].
Описание программы «Симметрирование»
Так как ЭШСУ должно иметь малое сопротивление нулевой последовательности, а добротность катушек таких устройств обычно не превышает 6...8, то, как видно из (2,76), их реактивная мощность устройства может достигать значительной величины, что отрицательно сказывается на режиме работы сети Из выражения (2.80) видно, что добротность катушек q в значительной степени определяет и активную мощность устройства Рэу, следовательно, и потери энергии в нём. Так как включение в сеть устройства должно обеспечивать определённый экономический эффект, то очевидно, что выбор g необходимо производить на основании приведённых затрат на устройство и снижения ущерба от повышения качества электрической энергии в сети.
Таким образом, выбор ЭШСУ следует производить следующим образом. Сначала с требуемым качеством напряжения находим 2ЭУО используя методику изложенную выше, а затем по заданной величине q (определённую по экономическим критериям) находим Z3yi и мощности Рэу, ОЭУ, S3y, используя выражения (2.76), (2.79), (2.80) и (2.82).
Существенным недостатком ЭШСУ является то, что при однофазных коротких замыканиях в сети, вследствие их малого сопротивления нулевой последовательности, основная часть тока короткого замыкания будет протекать через устройство. Это может привести, во-первых, к тому, что защита линии от этих токов не сработает, а во-вторых, к выходу из строя самого ШСУ- Следовательно, в момент короткого замыкания в сети ШСУ должно быть отключено за очень короткий промежуток времени, причем достаточно отключить от сети только его нейтральный провод,
1. Получены выражения, позволяющие определить коэффициенты несимметрии токов, напряжений, отклонение напряжения и потери мощности в сети 0,3 8 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством.
2. Представлены методы расчёта конденсаторного и электромаг нитного шунто-симметрирующих устройств.
Расчёт и анализ ПКЭ позволяет определить влияние неравномерно распределенных нагрузок в сети 0,38 кВ на эти показатели, и на коэффициент потерь мощности, а так же определить наиболее рациональное место установки шунто-симметрирующего устройства, как средства повышения качества электрической энергии. Для расчёта ПКЭ разработана программа «Симметрирование».
Программа «Симметрирование» предназначена для расчёта показателей несимметрии токов, напряжений, отклонения напряжения и коэффициента потерь мощности электрических сетей 0,38 кВ, а так же определения оптимального места установки симметрирующего устройства в этих сетях при распределённой нагрузке.
Для расчёта исследуемых показателей по программе «Симметрирование» использовалась модель электрической сети со следующими параметрами:
К Длина воздушной линии 10 кВ принята по нормам надёжности электроснабжения, равна 16,7 км [72]. Комплексное сопротивление прямой и обратной последовательностей этой линии, выполненной проводом АС 35, приведено к напряжению 0,4 кВ и равно: ZJIBI = Zm2 = 0,0243 + j0,01 = 0,0263 ej22 37 , Ом.
2. Питание осуществляется от трансформаторной подстанции ТП 10/0,4 кВ с трансформатором со схемой соединения обмоток «Y/YN», мощностью 100 кВ-А. Комплексное сопротивление прямой и обратной последовательностей трансформатора равно: п = Zini = 0,032 + j0,065 = 0,072 емв, Ом Комплексное сопротивление нулевой последовательности трансформатора: ZT0 = 0,254 + j0,582 = 0,635 ej6M, Ом.
3. Длина воздушной линии 0,38 кВ составляет 0,5 км; линия выполнена проводом марки А120. Сечение фазных и нулевого проводов принято одинаковым. Комплексные сопротивления прямой и обратной последовательностей линии 0,38 кВ равны: 1=2 2=0,144- ,11-0,18-6 , Ом. Zjmo = 0,56+j0,42 = 0,68-ej37 2, Ом,
4. Линия 0,38 кВ содержит 4 узла нагрузок, равномерно распре делённых вдоль линии через 125 метров. Каждый из четырёх узлов нагрузки содержит трёхфазные симметричные электроприёмники, общей мощностью Ss с cos(p = 0,8 и однофазные электроприёмники мощностью SH с cosq) = 0,9, неравномерно распределенные по фазам.
Расчёт и анализ показателей качества электрической энергии и дополнительных потерь мощности
Как видно из графиков (рис. 4.8-4.10), при увеличении несимметричной нагрузки QHEC значения исследуемых коэффициентов К2и, Кои и КР при включении СУ в первом узле уменьшаются по сравнению с режимом, когда ft СУ отсутствует, следующим образом: К2и - с 1,4 % до 1,15 % (в 1,22 раза), (рис. 4.8); Кои - с до 2,6 % до 25 % (в 1,04 раза), (рис. 4.9); КР - с 1,15 до 1,03 (в 1,1 раза), (рис. 4,10). При включении СУ в середине и в конце рассматриваемые показатели увеличиваются, по сравнению с режимом работы сети без СУ, а именно; СУ включено в середине линии: К2и увеличивается до 1,7 %; Кои — уменьшается с 45 до 31 %; Кр - уменьшается с 1,85 до 1,5; СУ включено в конце линии: К2и увеличивается до 1,5 %; Кои -уменьшается с 45 до 35%; КР - уменьшается с 1,85 до 1,6. Из графиков (рис. 4Л2-4ЛЗ) видно, что при увеличении несимметричной нагрузки анис значения коэффициентов К2у, Кои при включении СУ в 126 первом узле уменьшаются по сравнению с режимом, когда СУ отсутствует: К2и - с 16,2 % до 4 % (в 4,05 раза), (рис- 4.12); Кои - с до 38 % до 10 % (в 3,8 раза), (рис. 4ЛЗ). При включении СУ в середине и в конце линии рассматриваемые коэффициенты изменяются следующим образом: СУ включено в середине линии: К2и уменьшается с 16,2 до 7 %; Кои -уменьшается с 38 до 11 %; СУ включено в конце линии: К2и уменьшается с 16,2 до 6,5 %; Кои -уменьшается с 38 до 12 %.
На рис- 4Л4 представлены зависимости коэффициента дополнительных потерь мощности от изменения несимметричной нагрузки. Из графика видно, что при отсутствии СУ наибольшее значение коэффициента КР=1,51 наблюдается при максимальном значении (ХЦЕС- При включении СУ в первый узел происходит уменьшение КР в 1,3 раза (до 1,16) При включении СУ в середине и в конце линии 0,38 кВ так же наблюдается снижение исследуемых коэффициентов. При включении СУ в середине линии К2и, Кои и КР снижаются соответственно в: 2,4, 4,6, 1,27 раз. При включении СУ в конце линии коэффициент К2и снизился в 2,2 раза, Кои в 4,4 раза и КР в 1,2 раза.
Использование СУ оказывает положительное влияние на 5U снижая его величину (рис. 4.15). Наибольший эффект наблюдается при включении СУ в первом узел нагрузок, анализируемый показатель качества электрической энергии уменьшается в 3,8 раз, по сравнению с режимом, когда СУ отсутствует.
Таким образом, максимальное снижение показателей качества электрической энергии и коэффициента потерь мощности при данном режиме работы сети 0,38 кВ наблюдается при включении СУ в ближайшем к источнику питания узле нагрузок.
Анализ графиков (рис. 4.16-4 17) показывает, что при увеличении несимметричной нагрузки аНЕС от 1 до 5,9 значения исследуемых коэффициентов К2и, Кои при включении СУ в первом узле уменьшаются, по сравнению с режимом, когда СУ отсутствует: К2ц - с 21 % до 7 % (в 5,25 раза), (рис. 4.16); Кои - с 45 до 13 % (в 3,5 раза), (рис. 4.17). При включении СУ в середине и в конце линии рассматриваемые коэффициенты изменяются следующим образом: СУ включено в середине линии: К2и уменьшается с 21 до 8,5 %; Кои -уменьшается с 45 до 16 %; СУ включено в конце линии: К2и уменьшается с 21 до 9 %; Кои -уменьшается с 45 до 18 %.
На рис 4.18 представлен график изменения коэффициента потерь мощности от изменения несимметричной нагрузки. Из графика видно, что при отсутствии СУ наибольшее значение коэффициента КР=2,73 наблюдается при значении 0 0=5,9, При включении СУ в первый узел происходит снижение коэффициента КР в 1,9 раза (до 1,42).
При включении СУ в середине и в конце линии 0,38 кВ так же наблюдается уменьшение анализируемых коэффициентов. При включении СУ в середине линии КР снижается в 1,8 раз, при включении СУ в конце линии КР снижается в 1,7 раз.
Включение СУ в середине и в конце линии позволяет также уменьшить отклонение напряжения в 2-3 раза, по сравнению с режимом работы сети при отсутствии СУ (рис. 4.19). Наибольший симметрирующий эффект присутствует при включении СУ в первом узле нагрузок, исследуемый показатель уменьшается с -7,9 % до -1,8 % (в 4 раза).
1. Применение КШСУ позволяет уменьшить показатели качества электрической энергии и коэффициент дополнительных потерь мощности;
2. Наиболее эффективным местом установки КШСУ для повышения эффективности использования электрической энергии является первый узел нагрузок. В этом случае происходит максимальное снижение исследуемых показателей по сравнению с режимом работы модели сети 0,38 кЪ без симметрирующего устройства.
Исследуемая распределительная сеть 0,38 кВ находится в учебном хозяйстве «Молодёжное» г. Иркутска.
Территория учебного хозяйства «Молодёжное» расположена на местности» имеющей холмистый рельеф. Грозовая активность — до сорока часов в год. Среднегодовая температура воздуха составляет -1,7 С, Ветер преобладает северо-западный. Климат резко-континентальный.
Измерения проводились в апреле 2002 года на трансформаторной подстанции № 368, мощностью 160 кВ А, схема соединения обмоток трансформатора Y/YN , количество отходящих линий равно двум. Обе линии питают преимущественно коммунально-бытовую нагрузку.
Исследованиями установлено, что в линиях, питающихся от данной трансформаторной подстанции, имеет место достаточно высокий уровень несимметрии напряжений обратной и нулевой последовательностей (К2и — 5 %, Kotr %), отклонение напряжения составляет до -13 %- Основной причиной присутствующей несимметрии является неравномерное распределение однофазных электропотребителей по фазам.
