Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Несимметрия токов и напряжений в электрических сетях 0,38 KB иркутской области 15
1.1. Характеристика системы сельского электроснабжения области 15
1.2. Исследование несимметрии токов и напряжений в сельских сетях 0,38 кВ 34
1.2.1. Методика измерения показателей несимметрии фазных напряжений 35
1.2.2. Методика измерения показателей несимметрии токов в линии 0,38 кВ 36
1.2.3. Методика измерения дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в трансформаторах и линиях 0,38 кВ 38
1.3. Результаты измерения и анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ Иркутской области 42
1.4. Выводы по главе 1 74
ГЛАВА 2. Способы и технические средства снижения несимметрии токов и напряжений в сетях 0,38 КВ 76
2.1. Методологические аспекты системного подхода к управлению симметрированием системы сельского электроснабжения 76
2.1.1. Несимметричные режимы работы сельской сети 0,38 кВ 76
2.1.2. Влияние несимметрии токов в сети 0,38 кВ на дополнительные потери мощности и качество электрической энергии 78
2.1.2.1. Потери мощности, обусловленные несимметрией токов 78
2.1.2.2. Влияние несимметрии токов на качество электроэнергии 79
2.2. Способы снижения несимметрии токов 81
2.2.1. Общая характеристика способов симметрирования 81
2.2.1.1. Перераспределение однофазных нагрузок 82
2.2.1.2. Снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электрической сети 83
2.2.1.3. Применение замкнутых и полузамкнутых схем сети 0,38 кВ 86
2.2.1.4. Поперечная компенсация реактивной мощности 87
2.3. Технические средства снижения несимметрии токов 88
2.3.1. Общая характеристика технических средств 88
2.3.1.1. Автоматическое подключение однофазной нагрузки к наименее загруженной фазе сети 88
2.3.1.2. Использование нейтралеров 91
2.3.1.3. Применение симметрирующих устройств 92
2.3.1.4. Использование комбинированных
технических средств 99
2.4. Выводы по главе 2 102
ГЛАВА 3. Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сетях 0,38 KB с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством 104
3.1. Схема замещения трёхфазной электрической сети 104
3.2. Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками 111
3.3. Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и различными видами нагрузок 115
3.4. Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством, включенным на шинах трансформатора 116
3.5. Вывод по главе 3 119
ГЛАВА 4. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений в сетях 0,38 KB с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством 120
4.1. Исходные данные для расчёта показателей несимметрии токов и напряжений и коэффициента дополнительных потерь мощности 120
4.2. Программа «Несимметрия - 2» расчёта показателей несимметрии токов и напряжений и коэффициента дополнительных потерь мощности в сети 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством 125
4.2.1. Методика расчёта показателей несимметрии по программе «Несимметрия - 2» 125
4.3. Анализ потерь мощности и показателей качества электрической энергии в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 130
4.4. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений и коэффициента дополнительных потерь мощности в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, двухфазной нагрузками и симметрирующим устройством 140
4.5. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений и дополнительных потерь мощности в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, однофазной нарузками и симметрирующим устройством 146
4.6. Уравнения регрессии коэффициента увеличения потерь мощности в сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством 152
4.7. Выводы по главе 4 155
ГЛАВА 5. Метод расчёта и анализ показателей несимметрии токов и напряжений в сетях 0,38 КВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством 156
5.1. Схема замещения трёхфазной электрической сети 156
5.2. Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками 159
5.3. Исходные данные для расчёта показателей несимметрии токов и напряжений и коэффициента дополнительных потерь мощности 162
5.4. Анализ потерь мощности и показателей качества электрической энергии в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством 168
5.4.1. Симметрирующее устройство отсутствует 168
5.4.2. Симметрирующее устройство включено в первом узле нагрузок 173
5.4.3. Симметрирующее устройство включено в середине линии электропередачи 177
5.4.4. Симметрирующее устройство включено в последнем узле нагрузок 178
5.5. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений и потерь мощности в сети 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, двухфазной нагрузками и симметрирующим устройством 179
5.6. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений и потерь мощности в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, однофазной нагрузками и симметрирующим устройством 183
5.7. Автоматизация работы шунто-симметрирующего устройства в действующих сетях 0,38 кВ 187
5.8. Выводы по главе 5 192
ГЛАВА 6. Методика расчёта экономического эффекта от снижения потерь электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 KB 194
6.1. Методы расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов 194
6.2. Методы расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт компенсации реактивной мощности 197
6.3. Расчёт экономического эффекта от снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ 199
6.4. Вывод по главе 6 201
7. Основные выводы 202
Литература 204
- Методика измерения дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в трансформаторах и линиях 0,38 кВ
- Снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электрической сети
- Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками
- Анализ потерь мощности и показателей качества электрической энергии в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством
Введение к работе
Производство электрической энергии (ЭЭ) во всём мире неуклонно повышается, что обусловлено всё возрастающими её потребностями в различных отраслях хозяйственной деятельности человечества. Так, к 2010 году количество производимой в мире ЭЭ должно вырасти до 20 трлн. кВт-ч., что соответствует темпам роста производства до 2,5 - 3% в год в среднем [72].
Современная система сельского электроснабжения является довольно сложным физико-техническим объектом и неотъемлемой частью Единой энергетической системы и сельского хозяйства страны, регионов и крупных сельскохозяйственных производителей. В нынешней экономической ситуации вопрос рационального использования топливно-энергетических ресурсов особо остро стоит в сельском хозяйстве. При этом, для получения наибольшей эффективности их использования необходимо рассмотреть весь процесс от добычи первичных энергоресурсов до их потребления.
Постановлением Правительства РФ от 13 августа 1997 г. № 1013 электрическая энергия отнесена к числу хозяйственных товаров, подлежащих обязательной сертификации. Во исполнение этого постановления разработана «Система сертификации ГОСТ Р» [245].
Электрическая энергия, как сертифицируемая продукция, обладает целым рядом особенностей, в числе которых неразрывность и одновременность процессов производства и потребления, когда искажающее влияние на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) может быть оказано как электроприёмниками потребителя, так и принесено извне в виде кондуктивной электромагнитной помехи, распространяемой по общей электрической сети [44].
Учёт электроэнергии состоит из определения произведённого её количества, количества электроэнергии потреблённой электроприёмниками, а также количества электроэнергии, потерянной при её передаче.
9 Электроэнергия является единственным видом продукции, транспортировка которой осуществляется за счёт расхода определённой части самой продукции, то есть потери электроэнергии при её передаче неизбежны. По данным Международного энергетического агентства в 1996 году общие потери электроэнергии в ЕЭС России составили 10,3 %.
Первоочередной задачей экономии топливно-энергетических ресурсов сельской электроэнергетики является снижение потерь электроэнергии в сельских электрических сетях, которые достигают 15...20 % общего отпуска электроэнергии сельскому хозяйству [1, 141, 246].
Анализ структуры потерь электроэнергии в действующих электрических сетях сельскохозяйственного назначения показывает, что потери в линия 0,38 кВ составляют 31...33 % от общих потерь [13]. С учётом потерь электроэнергии в трансформаторах 10/0,4 кВ потребительских ТП потери в электрических сетях 0,38 кВ составляют более 50 % от общих потерь [13]. Поэтому снижение потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ позволит добиться снижения общих потерь в электрических сетях сельскохозяйственного назначения.
Исследования эксплуатационных режимов сельских электрических сетей 0,38 кВ, проведённые вузами и научно-исследовательскими институтами (СПбГАУ, УСХА, ВИЭСХ, МГАУ, ИСЭМ, ИрГТУ, ИрГСХА и др.), показали, что в сетях с коммунально-бытовыми и смешанными нагрузками возникает значительная несимметрия токов, то есть режимы работы сельских сетей 0,38 кВ являются объективно несимметричными [142, 14]. Несимметрия токов в сети вызывает несимметрию напряжений на зажимах трёхфазных электроприёмников, которая во многих случаях превышает в 2...2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение [65, 234, 194, 149]. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 25... 30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30...50% по сравнению с симметричным режимом работы
10 [98]. Кроме того, несимметрия токов и напряжений в сетях приводит к увеличению в узлах нагрузки отклонения напряжения от допустимого значения, сокращению срока службы электродвигателей агропромышленного комплекса и другим негативным явлениям в сетях и приёмниках электроэнергии [234, 2, 15, 113, 114, 150, 151, 235, 236, 247, 260, 16, 17, 218].
Работа сельских распределительных сетей с постоянной несимметрией нагрузки является причиной довольно значительного ущерба в хозяйственной деятельности. Это определяется дополнительными потерями электроэнергии в сетях и нагрузке [45, 86], с одной стороны, и снижением эффективности использования оборудования и сокращением срока службы электрических установок [32, 152] - с другой стороны.
Проблемой несимметрии токов и напряжений в низковольтных сетях сельскохозяйственного назначения в разное время занимались такие учёные как И. А. Будзко, Н.А. Мельников, И. Ф. Бородин, Т.Б. Лещинская, М.С. Левин, Н.Д. Григорьев, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, А.П. Сердешнов, Ф.Д. Косоухов, Л.Е. Эбин, А.Е. Мурадян, Н.Н. Сырых, С. М. Рожавский, А.Н. Милях, Я.Д. Баркан, А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, В.Э. Воротницкий, Л.А. Солдаткина и др.
Теоретические разработки и практические рекомендации по данному вопросу изложены в работах [13, 14,98, 194,234,2, 15,86, 119, 120, 121, 122, 123, 142, 158, 178, 224, 21, 34, 124, 160, 161, 226, 228, 230, 249, 250, 261, 99, 100].
Анализ проблемы несимметрии в сельских электрических сетях 0,38 кВ показал, что существующие методы расчёта показателей несимметрии и потерь электроэнергии в этих сетях не позволяют установить закономерности их изменения от параметров нагрузки и сети, провести анализ потерь при различных режимах работы электроприёмников и разработать наиболее эффективные способы и средства снижения несимметрии и обусловленных ею потерь, так как в этих методах несимметрия токов в сетях учитывается приближёнными способами. Кроме того, большинство научных работ не
рассматривают проблему качества электрической энергии в целом. Так, например, повышение качества напряжения за счёт снижения уровня несимметрии напряжений рассматривалось в отрыве от проблемы снижения потерь мощности и энергии в сети, и, наоборот, вопросы снижения потерь не затрагивали проблему несимметрии напряжений [19, 76, 92, 127, 119, 128, 154, 153, 251, 252, 262, 268]. В месте с этим, до настоящего времени не разработаны общие методы расчёта сетей с несимметричными рассредоточенными нагрузками, которые широко распространены в сельскохозяйственных районах. Отсутствие комплексности в подходе к решению проблемы несимметрии приводило в отдельных случаях к недостаточно верным выводам и рекомендациям по способам и средствам для снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ, обусловленных несимметрией токов.
Недостаточность знаний об уровне несимметрии токов и напряжений в низковольтных сетях 0,38 кВ, а также о способах и технических средствах её снижения, не позволяют составить достоверной картины о действительном характере изменения потерь электрической энергии в этих сетях, а без этого невозможно разработать и применить на практике мероприятия по снижению потерь (МСП) электрической энергии и повышению её качества.
Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ тесно связано с проблемой снижения несимметрии токов в этих сетях. Поэтому актуальным и своевременным является рассмотрение вопросов, связанных с разработкой способов снижения несимметрии токов и подготовкой практических рекомендаций по эффективности использования МСП.
Недостаточной разработанностью, а также теоретической и практической значимостью решения указанной задачи обусловлены цели и направления настоящего диссертационного исследования.
Автор выражает искреннюю благодарность своим учителям и наставникам д.т.н., профессору Косоухову Фёдору Дмитриевичу и д.т.н.,
12 профессору Балышеву Олегу Анатольевичу, а также признательность академикам Булатову Валериану Павловичу, Терских Ивану Петровичу, высказавшим свои замечания и предложения по представленной работе.
В работе использована научная, техническая, официальная нормативно-инструктивная литература, а также материалы авторских заявок на изобретения.
Научная новизна исследования заключается в комплексном исследовании факторов, 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:
разработан метод расчёта потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений электрической энергии в сетях 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством и проведён их анализ;
предложен метод расчёта потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством и проведён из анализ;
осуществлено теоретическое и экспериментальное исследование влияния несимметрии токов на потери и качество электрической энергии, а также влияние симметрирующего устройства и места его установки на эти показатели в электрической сети 0,38 кВ;
разработано устройство управления мощностью симметрирующего устройства;
определена экономическая эффективность применения симметрирующих устройств для повышения качества и уменьшения потерь электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.
Полученные результаты исследования, перечисленные выше, выносятся на защиту.
13 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 технологий РФ, Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ и Президиума РАСХН от 30 декабря 1999 г. за № 295/892/Ш по направлениям:
энергообеспечение и ресурсосбережение;
организационно-экономический механизм функционирования АПК и
обустройство сельских территорий.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка используемой литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи, подлежащие решению.
В первой главе представлен анализ развития сельского электроснабжения Иркутской области с характеристикой несимметричных режимов работы распределительных сетей 0,38 кВ. Рассмотрены методики измерения показателей несимметрии токов и напряжений, а также результаты измерений этих показателей в действующих сетях. Создана программа расчёта этих показателей по модульному методу.
Вторая глава посвящена анализу способов и технических средств, применяемых для симметрирования фазных токов в сетях 0,38 кВ. Создана классификация рассматриваемых мероприятий по симметрированию режимов работы сети 0,38 кВ, определены наиболее эффективные технические средства для снижения потерь и повышения качества электрической энергии.
В третьей главе представлен метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и симметрирующим устройством.
В четвёртой главе произведён анализ показателей несимметрии токов и
напряжений в сети 0, 38 кВ с сосредоточенной нагрузкой и
14 симметрирующим устройством. Создана программа расчёта этих показателей на ПЭВМ.
В пятой главе представлен метод расчёта и анализа показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с распределённой нагрузкой и симметрирующим устройством. Создана программа расчёта этих показателей на ПЭВМ.
Шестая глава содержит методику определения экономической эффективности применения симметрирующих устройств для повышения качества и уменьшения потерь электрической энергии в сельской распределительной сети 0,38 кВ.
В заключении сформулированы основные выводы и рекомендации. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях СПбГАУ в 1988 и 1989 г.г.; научных конференциях ИрГСХА в 1987, 1988, 1990 - 2001 г.г.; на научных конференциях ИрГТУ в 1998 - 2001г.г.; на конференции молодых учёных и студентов СПбГАУ в 1988 г.; на конференции, посвященной проблемам электроснабжения сельского хозяйства и экономии электроэнергии в Крымском СХИ в 1988 г.; на республиканской научно-технической конференции в г. Ивано-Франковске в 1987 г.; на 2-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика, управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» в г. Благовещенске в 2000 г.; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в Санк-Петербургском аграрном университете в 2002 г.; на пленарном заседании научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в Иркутской ГСХА в 2002 г.
Основные результаты исследования нашли отражение в опубликованных статьях, учебных пособиях и монографиях.
Методика измерения дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в трансформаторах и линиях 0,38 кВ
Анализ гистограммы 1.7 показывает, что только 17,37 % сетей напряжением 6-20 кВ и 20,5 % сетей напряжением 0,38 кВ находятся в удовлетворительном состоянии. При этом соответственно 15,38 % и 18,73 % сетей нуждаются в проведении капитального ремонта; 37, 61% и 44,84 % сетей подлежат реконструкции; восстановлению подлежат 29,16 % и 15,85 % сетей; 0,47 % и 0,1 % сетей полностью пришли в негодность. Таким образом, речь идёт о практически полном «истощении» в развитии сельских сетей, тем более, что за период с конца 1980-х годов по настоящее время оценка технического состояния низковольтных распределительных сетей не проводилась. Поэтому необходимы срочные меры по выводу сельского электроснабжения Иркутской области (а также всей РФ) из настоящего кризиса, так как транспортировка по существующим сетям всё возрастающих мощностей может привести их (сети) к полному выходу из строя, что приведёт к долговременному кризису во всей структуре электроснабжения сельского хозяйства. -я цифра соответствует сетям напряжением 6-20 кВ, 2-я цифра - сетям напряжением 0,38 кВ.
Наряду с потребителями, получающими электрическую энергию от централизованных источников питания, в области имеется довольно значительное количество районов, расположенных на значительном удалении от основных трасс линий электропередачи различных напряжений. Общая установленная мощность децентрализованных источников питания в области составила 8014 кВт на 92 электрические станции.
Следует отметить, что понятие «кризисное состояние сетей» конечно нельзя сравнивать с развалом в системе электроснабжения сельского хозяйства. Да, трудности большие, но в настоящее время ищутся новые подходы в развитии сельского электроснабжения, осуществляются давно намеченные проекты по централизованное электроснабжения отдалённых населённых пунктов. Так в 2000 году была завершена и вступила в действие централизованная ССЭ в с. Малое Голоустное и пос. Большое Голоустное, входящих в Прибайкальскую национальную заповедную зону, которая имеет следующие технико-экономические показатели [242]: Количество населённых пунктов, шт. - 574. Максимальная потребляемая мощность, кВА - 3159. Годовое потребление электроэнергии, кВт.ч. - 4108800. Количество и установленная мощность ТП 10/0,4 кВА, шт./кВА - 17/4010. Протяжённость ВЛ 0,38 кВ, км. - 33,49, протяжённость ВЛ 10 кВ, км - 3,54.
Кроме того, намечено строительство десяти новых мини-ГЭС в отдалённых районах области. Таким образом, последние 2-3 года стали наблюдаться определённые сдвиги в развитии сельского электроснабжения области.
Задача снижения несимметрии фазных токов в сельских сетях 0,38 кВ, вызывающая несимметрию напряжений и дополнительные потери электрической энергии, актуальна для всех регионов страны [98, 194, 226, 100], особенно для зоны Восточной Сибири. Это объясняется территориальной разобщённостью потребителей и очень большими расстояниями передаваемой мощности.
Для электрических сетей Иркутской области повышение качества электрической энергии и снижение потерь, обусловленных несимметрией токов также остаётся одной из практически нерешённых проблем. Во многих отношениях это связано с отсутствием более или менее достоверной картины состояния несимметричных режимов работы системы сельского электроснабжения (ССЭ). Следует отметить также слабую заинтересованность энергоснабжающих организаций и потребителей в разработке и установке в сетях устройств, снижающих несимметрию токов. К сожалению, следует констатировать, что руководители многих хозяйств предпочитают затрачивать средства на приобретение и ремонт оборудования, вышедшего из строя по причине низкого качества электрической энергии и переплачивать за дополнительные потери мощности, обусловленные несимметрией токов, нежели на основе заключённого хозяйственного договора получить значительную экономию средств, за счёт установки в сетях симметрирующих устройств. До настоящего времени в Иркутской области не проводились исследования несимметричных режимов низковольтных сетей. Известны данные по отдельным среднестатистическим показателям качества электрической энергии, определённые для высоковольтных линий электропередачи (330-10 кВ) [257].
Основным же источником несимметричных режимов, где происходят дополнительные потери электрической энергии, обусловленные несимметрией токов, а также снижается качество электрической энергии, являются сельские распределительные линии электропередачи напряжением 0,38 кВ. В связи с этим, кафедрой Электроснабжения сельского хозяйства ИрГСХА в течении ряда лет исследовались режимы работы сельских сетей напряжением 0,38 кВ в различных районах области. Контрольные измерения проводились на стороне низшего напряжения 26 трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ различной мощности. Порядок проведения контрольных измерений был принят в соответствии с [65]. Измерение осуществлялось при помощи цифрового универсального прибора М 266 (полупроводниковый бесконтактный мультиметр). При этом учитывались требования, предъявляемые к средствам измерения показателей качества электрической энергии [219,129]. Измерение показателей несимметрии фазных напряжений осуществлялось косвенным способом на основании использования модульного метода, предложенного профессором Косоуховым Ф.Д. [101].
Для расчёта токов и напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей в электрических сетях методом симметричных составляющих должны быть известны модули и аргументы несимметричной системы токов и напряжений. Практическое измерение начальных фаз токов и напряжений в сетях затруднительно и приводит к значительным погрешностям в определении симметричных составляющих несимметричных систем токов и напряжений [270]. Поэтому в условиях эксплуатации электрических сетей определение симметричных составляющих и показателей несимметрии токов и напряжений целесообразно производить по результатам измерений модулей токов и напряжений. Такой метод расчёта комплексных симметричных составляющих и показателей несимметрии токов и напряжений называется модульным.
Снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электрической сети
В настоящее время развитие сельскохозяйственного производства претерпевает существенные изменения. Вследствие интенсивного роста государственных сельскохозяйственных предприятий (ГСП), крестьянских и фермерских хозяйств (КХ, ФХ) значительно возрастает доля мощной однофазной нагрузки.
В действующих сетях 0,38 кВ распределение однофазных электроприемников по фазам производится крайне неравномерно, в силу чего создается перегрузка одних и недогрузка других фаз. В результате получается систематическая, или неслучайная несимметрия токов (ННТ).
На стадии проектирования какого-либо сельскохозяйственного объекта при рассмотрении схемы низковольтной (0,38 кВ) сети необходимо учитывать установленную мощность отдельных электроприемников для того, чтобы осуществить их равномерное распределение по фазам. К сожалению, следует отметить, что при реальном подключении электроприемников к распределительной сети 0,38 кВ далеко не всегда соблюдаются требования симметричного присоединения. Кроме того, в процессе развития ГСП, КХ или ФХ вводятся в эксплуатацию большое количество новых электроприемников, которые, в свою очередь, также подключаются без учета этих требований. В результате в распределительной сети 0,38 кВ искусственно создается ННТ.
Кроме того, неравномерному характеру распределения однофазных электроприёмников по фазам электрической сети, как правило, сопутствуют случайные включения и отключения данных потребителей электрической энергии. Эти предпосылки определяют возникновение кроме ННТ несимметрии случайной или вероятностной (ВНТ), которая достигает значительных величин [153]. Таким образом, несимметричный режим работы электрической сети 0,38 кВ является объективно существующим, т.к. даже при пофазно-равномерном подключении нагрузок возникает ВНТ.
При вероятностной несимметрии нагрузка каждой фазы изменяется во времени независимо от изменения нагрузок других фаз, поэтому трехфазное регулирование напряжения, применяемое в сельских электрических сетях 0,38 кВ, предполагает равное воздействие на все три фазы. Такое регулирование напряжения не в состоянии обеспечить нормированное напряжение на зажимах токоприёмников без применения дополнительных мер по симметрированию фазных токов в электрических сетях [73,117, 158, 248].
Однофазные электроприёмники можно разделить по мощности и характеру работы на ряд групп с подобными режимными показателями графиков нагрузок и совпадающим порядком мощности электроприёмников в каждой группе. Двумя основными из этих групп являются производственная осветительная и бытовая нагрузки, которые представляют собой главный источник несимметричных режимов работы сельских распределительных сетей 0,38 кВ.
Несимметрия токов вызывает появление тока в нулевом проводе, а вместе с тем и напряжения смещения нейтральной точки системы фазных напряжений. В результате напряжения фаз на зажимах электроприёмников становятся неодинаковыми.
Как уже было отмечено в главе 1, при несимметричной нагрузке в сети появляются составляющие токов обратной и нулевой последовательностей. При этом, путём перераспределения однофазных электроприёмников по результатам замеров в максимум нагрузки можно снизить потери электроэнергии в отдельных случаях в 1,5 раза [157]. Однако полной симметричности режима работы трёхфазных четырёхпроводных сетей 0,38 кВ достичь, как правило, нельзя. Симметрирование режима сети 0,38 кВ путём перераспределения нагрузок приводит обычно к увеличению пропускной способности линии и к уменьшению потерь электрической энергии в среднем на 3...10% [272]. Необходимо учитывать, что постоянно увеличивающаяся мощность и количество однофазных бытовых электроприёмников определяют и соответствующее увеличение тока в нулевом проводе сети. И эта тенденция в дальнейшем будет прогрессировать.
Как видно из уравнения (1.10) на величину коэффициента потерь мощности большее влияние оказывает коэффициент К0і. В значительно меньшей степени, на Кр влияют токи обратной последовательности. Заметное влияние на Кр эти токи будут оказывать при значении Кь 0,3.
Установлено [13, 48, 142, 153], что наименьшие потери мощности и электрической энергии наблюдаются в производственных, а наибольшие - в коммунально-бытовых электрических сетях 0,38 кВ. По данным [4] потери электроэнергии в несимметричном режиме увеличиваются на 49,2% по сравнению с потерями, которые имели место в симметричном режиме, что составляет 32,96% всех потерь в сети 0,38 кВ. По опубликованным данным [301] в отдельных случаях коэффициент несимметрии токов нулевой последовательности достигает 70%, при этом чаще всего он бывает равен 15%. Причём при одинаковом сечении фазного и нулевого проводов потери мощности возрастают на 11%, а при RN = 2Яф они увеличиваются до 18%.
Вместе с тем, потери электрической энергии в линиях 0,38 кВ составляют 31...33%, а с учётом потерь в трансформаторах потребительских трансформаторных подстанций они достигают 50...55% от общих потерь [13]. Следовательно, существенного уменьшения потерь электрической энергии в сельских сетях можно добиться путём их снижения в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских подстанций. Осуществляя мероприятия по снижению несимметрии токов в сетях 0,38 кВ, и, следовательно, потерь электрической энергии, можно внести определённый вклад в дело энергосбережения и экономии энергоресурсов страны. Так, например, по расчетам [240], снижение потерь энергии в сельских сетях Ленинградской области только на 1% позволит сэкономить примерно 12,5 млн. кВт.ч в год.
Таким образом, несимметрия токов в сельских сетях 0,38 кВ оказывает существенное влияние на увеличение потерь электрической энергии, поэтому разработке способов и технических средств снижения несимметрии, а также всему комплексу мероприятий по снижению потерь электроэнергии в этих сетях необходимо уделять значительно большее внимание.
Показатели несимметрии токов и напряжений электрической сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством и трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками
Анализ выражения (1.9) показывает, что минимизация дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов в сети 0,38 кВ возможна при уменьшении сопротивления нулевой последовательности её отдельных элементов. Вместе с тем, пользоваться этим способом необходимо весьма осторожно, так как исследованиями, проведёнными в Санкт-Петербургском ГАУ установлено [102], что уменьшение сопротивления R0 сети приводит к увеличению в ней токов нулевой и обратной последовательностей, т.е. к увеличению коэффициентов К01 и К2,. Поэтому увеличение сечения нулевого провода более 0,75 сечения фазного провода не приводит к заметному снижению дополнительных потерь мощности в сельских распределительных сетях. Кроме того, известно, что сечения фазных и нулевого 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 0,38 кВ [268]. Это приводит к неоправданному удорожанию сети 0,38 кВ.
В [103] предлагается в качестве инструмента по снижению сопротивления нулевой последовательности линии использовать фонарный провод, как способ увеличения сечения нулевого провода. Однако данный способ не применим для снижения несимметрии токов по тем же причинам, что и непосредственное увеличение сечения нулевого провода. Кроме того, подключение осветительного провода на параллельную работу с нулевым проводом возможно только в дневное время суток, тогда как значительная несимметрия нагрузок проявляется в наибольшей мере в вечерние часы.
Снижение сопротивления нулевой последовательности сети 0,38 кВ может быть достигнуто заменой трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулём» на трансформатор со схемой соединения обмоток «звезда-зигзаг с нулём».
Применение этого способа воздействия на параметры сети описаны в [19, 101, 142, 154,223,224].
В сельских распределительных сетях 0,38 кВ наиболее распространёнными в настоящее время являются трансформаторы с соединением обмоток по схеме "звезда-звезда с нулём". Это обусловлено тем, что они имеют более простое конструктивное выполнение и меньшие размеры, а следовательно и меньшую стоимость по сравнению с трансформаторами с другой схемой соединения обмоток. К ним присоединяются как трёхфазные, так и однофазные электроприёмники. Однако эти трансформаторы имеют большое сопротивление токам нулевой последовательности, которое в среднем в 10 раз, а иногда и более, превышает сопротивление прямой последовательности.
В трансформаторах с соединением обмоток по схеме "звезда-зигзаг с нулём" на каждом сердечнике имеет место магнитное равновесие между первичными и вторичными ампервитками при однофазной нагрузке. Сопротивление нулевой последовательности вторичной обмотки таких трансформаторов пропорционально потокам рассеяния, создаваемым полуобмотками, расположенными на общем сердечнике. При правильном конструктивном выполнении обмоток этот поток рассеяния может быть уменьшен до нуля и индуктивность нулевой последовательности тоже может быть сведена к нулю. Вместе с тем, соединение обмотки трансформатора "в зигзаг" требует большого расхода цветного материала. Вес обмотки, при прочих равных условиях, увеличивается приблизительно на 7%, а количество цветного материала увеличивается в 1,16 раза. Поэтому общий вес цветного материала всего трансформатора получается на 7...8 % больше, чем при соединении обмотки низшего напряжения "в звезду" [223]. В целом, из-за дополнительного расхода обмоточного провода, стоимость трансформатора с соединением обмоток по схеме "звезда-зигзаг с нулём" увеличивается на 30% по сравнению с трансформаторами с соединением обмоток по схеме "звезда-звезда с нулём" [115].
Теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в Санкт-Петербургском ГАУ, показали, что в сельских сетях 0,38 кВ с имеющимся уровнем несимметрии нагрузок в них невозможно обеспечить снижение потерь электроэнергии заменой трансформаторов со схемой "звезда-звезда с нулём" трансформаторами со схемой "звезда-зигзаг с нулём" или другими трансформаторами с малым сопротивлением нулевой последовательности Z0 по следующим причинам [98, 5]: 1) применение в сетях 0,38 кВ трансформаторов с малым сопротивлением нулевой последовательности приводит, по сравнению с трансформаторами со схемой "звезда-звезда с нулём", к увеличению в линии и трансформаторе токов нулевой и обратной последовательностей; 2) эквивалентное сопротивление нулевой последовательности сети с трансформаторами, имеющими малое сопротивление Z0, определяются в основном сопротивлением линии, которое на порядок выше сопротивления таких трансформаторов. В связи с увеличением токов обратной последовательности в сети с трансформаторами, имеющими малое сопротивление Z0, в узлах нагрузки возрастает напряжение обратной последовательности, отрицательно влияющее на работу трёхфазных асинхронных электродвигателей. Поэтому применение таких трансформаторов в сетях со смешанной нагрузкой не рекомендуется [5]. Вместе с тем, трансформаторы с малым сопротивлением нулевой последовательности со схемой "звезда-зигзаг с нулём" и другие позволяют существенно снизить в узлах нагрузки напряжение нулевой последовательности. В связи с этим, их применение целесообразно в сельских сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой для повышения качества электрической энергии [5]. Так, например, довольно эффективно применение специального трансформатора, разработанного в Белорусском ГАУ под руководством профессора А.П. Сердешнова [251].
Анализ потерь мощности и показателей качества электрической энергии в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной, несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством
Как видно из графика, при наличии в сети трёхфазной симметричной нагрузки, в случае, когда ри = 0, коэффициент К р для всех режимов работы симметрирующего устройства равен единице. По мере увеличения трёхфазной несимметричной нагрузки от 0 до 1,0 происходит увеличение коэффициента Кр. Для случая, когда СУ отключено, наибольшее значение коэффициента Кр соответствует точке ра =1,0. При включении СУ на шины трансформатора Кр увеличивается в большей степени, чем при его отсутствии. При включении симметрирующего устройства в узле нагрузок, по сравнению с первым случаем, т.е. когда СУ отсутствует, Кр увеличивается медленнее по мере возрастания мощности несимметричной нагрузки. Следовательно, максимальное снижение коэффициента увеличения потерь мощности и дополнительных потерь мощности возможно при включении шунто-симметрирующего устройства в узле нагрузок. Таким образом, анализируя полученные зависимости (рис. 4.5), можно сделать вывод: включение в сеть симметрирующего устройства приводит к следующему изменению коэффициента потерь мощности по сравнению с режимом работы сети без СУ: при включении СУ на шинах Кр увеличивается (примерно на 10%), а включение СУ в узеле нагрузки позволяет более чем в 2 раза уменьшить коэффициент Кр и соответствующие ему потери мощности и электрической энергии. 140 4.4. Анализ показателей несимметрии токов и напряжений и коэффициента дополнительных потерь мощности в электрической сети 0,38 кВ с трёхфазной симметричной, двухфазной нагрузками и СУ Расчёт показателей несимметрии и коэффициента дополнительных потерь мощности произведён с использованием программы «Несимметрия -2». На основании расчёта построены графики зависимостей коэффициентов несимметрии токов и напряжений, а также коэффициента потерь мощности от мощности двухфазной несимметричной нагрузки (рис. 4.6 - 4.10).
На рис. 4.6 представлен график изменения коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательностей от изменения мощности двухфазной нагрузки при наличии в узле трёхфазной симметричной нагрузки. Как видно из данного графика при отсутствии СУ с увеличением рн от 0 до 1,0 происходит увеличение коэффициентов К2, и К0, до максимальных значений.
В случае включения СУ на шинах трансформатора 10/0,4 кВ в наибольшей точке увеличения несимметричной нагрузки (ри = 1,0) увеличение коэффициента Къ происходит в меньшей степени, чем при отсутствии СУ, однако коэффициент несимметрии тока нулевой последовательности К0, увеличивается в большей степени, чем при отсутствии СУ. При включении СУ в узле нагрузок коэффициенты обратной и нулевой последовательности токов также возрастают и достигают наибольших значений в точке рп =1,0. При этом, увеличение коэффициента Jt0j происходит на 15% меньше, чем при отсутствии СУ. Таким образом, включение СУ на шины трансформатора в некоторой степени уменьшает коэффициент обратной последовательности токов, но значительно увеличивает коэффициент нулевой последовательности токов. Включение СУ в узле нагрузок обеспечивает незначительное снижение коэффициента Kv и существенное уменьшение коэффициента К0:. Кш и нулевой Коин последовательностей напряжений на зажимах нагрузки при наличии в узле трёхфазной симметричной нагрузки. Как видно из данного графика максимальное снижение коэффициента нулевой последовательности (почти в 2 раза) обеспечивается включением СУ в узле нагрузок по сравнению с Кшт при отсутствии СУ.
Нарис. 4.8 представлены графики зависимостей коэффициентов обратной Кш и нулевой #„„.,. последовательностей напряжений на шинах трансформатора от мощности двухфазной нагрузки при наличии в узле трёхфазной симметричной нагрузки. Как видно из графика, коэффициенты обратной последовательности напряжений для различных случаев включения СУ очень мало отличаются друг от друга. Вместе с тем, включение СУ в узле нагрузок обеспечивает снижение коэффициента Кып почти в 2 раза, а при включении СУ на шинах ТП приводит к снижению коэффициента К01П. почти в 4 раза. Характер изменения кривых Кр = /(/?„) (рис. 4.9) аналогичен рис. 4.5.
