Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор причин возникновения и способов уменьшения высших гармонических составляющих тока и напряжения в современной электрической сети 0,38 кВ 9
1.1 Состав и характеристика современных сельских электрических сетей 0,38 кВ 9
1.2 Анализ электроприемников домохозяйств и предприятий ЖКХ сельскохозяйственных районов и их влияния на синусоидальность напряжения и тока 13
1.3 Влияние несинусоидальности напряжения и тока на качество функционирования элементов электрических сетей 19
1.4 Способы уменьшения высших гармонических составляющих тока 27
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Характеристика несинусоидальных токов и напряжений в современных сельских электрических сетях 0,38 кВ 41
2.1 Несинусоидальность токов и напряжений 41
2.2 Потери энергии и мощности при синусоидальных и несинусоидальных формах кривых напряжения и тока 44
2.3 Результаты экспериментальных исследований состояния качества и уровня потерь ЭЭ в действующих электрических сетях 47
2.4 Анализ распространения искажений тока и напряжения в электрических сетях 0,38 кВ 53
2.5 Расчет параметров схемы замещения при распространении ВГС тока на основе исследований в действующих электрических сетях...57
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Экспериментальная оценка влияния потребителей сельского жилого дома и общественного здания на уровень искажения синусоидальности кривых напряжения и тока в сети 0,38 кВ 65
3.1 Цели эксперимента 65
3.2 Описание эксперимента 66
3.3 Исследование кривых напряжения и тока отдельных электроприборов 71
3.4 Исследование кривых напряжения и тока совместно подключенных электроприборов 88
3.5 Исследование несинусоидальности тока и напряжения на электрических вводах жилых домов 99
3.6 Исследование кривых тока и напряжения на электрических вводах общественных зданий 103
Выводы по главе 3 107
ГЛАВА 4. Расчет дополнительных потерь мощности и электроэнергии вызванных искажением синусоидальности напряжения и тока в современной сети 0,38 кВ 109
4.1 Алгоритм определения дополнительных потерь электроэнергии в несинусоидальных режимах работы 109
4.2 Постановка задачи и исходные данные для оценки дополнительных потерь 111
4.3 Дополнительные потери мощности и ЭЭ в сельских электрических сетях питающих жилой сектор 113
4.4 Дополнительные потери мощности и ЭЭ в сельских электрических сетях питающих общественных потребителей 122
4.5 Анализ полученных результатов 127
4.6 Обоснование применения технического средства электромагнитной компенсации ВГС тока в электрических сетях 0,38 кВ 130
4.7 Технико-экономическая оценка разработанного технического средства 132
Выводы по главе 4 137
Основные результаты и выводы 139
Библиографический список используемой литературы 143
Приложения 152
- Анализ электроприемников домохозяйств и предприятий ЖКХ сельскохозяйственных районов и их влияния на синусоидальность напряжения и тока
- Потери энергии и мощности при синусоидальных и несинусоидальных формах кривых напряжения и тока
- Исследование кривых напряжения и тока совместно подключенных электроприборов
- Дополнительные потери мощности и ЭЭ в сельских электрических сетях питающих жилой сектор
Введение к работе
Актуальность темы: В последние десятилетия значительное внимание в электроснабжении сельскохозяйственных районов уделяется вопросам энергосбережения, повышения надежности электроснабжения и качества электроэнергии. На эффективность производства, распределения и потребления электрической энергии (ЭЭ) влияет множество факторов таких, как конструктивное исполнение сетей, техническое оснащение и качество эксплуатации.
В сетях бывшего СССР потери электроэнергии составляли 9-10% от отпущенной в сеть.[1, 2]. Электропотребление в целом по стране, в период с 1991 по 2001 г сократилось на 25%, а суммарные потери возросли с 79 до 103,5 млрд. кВт-ч, что в процентном отношении от отпущенной в сеть ЭЭ составляет 8,51 и 13,1 соответственно [2, 3]. Причинами роста потерь ЭЭ, по оценкам специалистов [3, 5, б], является эксплуатация устаревшего оборудования и увеличение коммерческих потерь ЭЭ. Согласно исследованиям [1], в настоящее время из содержащейся в энергоресурсах потенциальной энергии в качестве «полезной» расходуется всего 30%.
В частности, в сельском хозяйстве, потребление ЭЭ значительно сократилось со спадом агропромышленного производства, а доля потребляемой энергии коммунально-бытового комплекса сопоставима, а в некоторых районах значительно превышает производственное электропотребление.
Для эффективного анализа, разработки и внедрения технических средств и мероприятий в сфере энергосбережения, необходимо учитывать все составляющие потерь ЭЭ и причины их возникновения.
Основные причины потерь в электрических сетях общего назначений и сельскохозяйственных районов известны и исследованы. В этой области плодотворно трудились такие отечественные ученые как: Будзко М.А., Зуль Н.М., Лещинская Т.Б., Железко Ю.С., Воротницкий В.Э. и др.
В последнее время за счет появления и распространения современных,
многофункциональных средств измерения (СИ) показателей электрических
режимов и электронных вычислительных машин (ЭВМ), возможен более глубокий анализ и учет влияния дополнительных факторов, которые ранее было трудно оценить.
К числу дополнительных и мало исследованных факторов относится низкое качество электроэнергии (КЭ) и, в частности, несинусоидальность напряжения и тока.
В электроснабжении сельского хозяйства, в первую очередь, это связано с увеличением количества и повышением установленной мощности бытовых электроприемников (ЭП) с нелинейным характером нагрузки.
Помимо вопросов снижения потерь ЭЭ, в последнее время, отечественными специалистами ведется работа, направленная на улучшения КЭ в электрических сетях всех классов напряжения.
Основные исследования в этой области были направлены на оценку влияния различных ЭП на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в узлах электрических сетей. В этих работах исследованы режимы и составлены модели различных нагрузок и элементов электрических сетей при снижении КЭ, позволяющие с определенной точностью оценивать ПКЭ на стадии проектирования, а также разрабатывать мероприятия по улучшению КЭ.
Согласно исследованиям [7 - 9, 85] уровень дополнительных активных потерь от высших гармоник в электрических сетях составляет 9% от потерь при синусоидальном напряжении. Мнения специалистов в вопросе о дополнительных потерях вызванных ухудшением КЭ, различны, но большинство авторов отмечает, что значения этих потерь существенны, и пренебрегать ими недопустимо [10 - 13]
Таким образом, для оценки эффективности передачи и распределения ЭЭ при несоблюдении требований [10] к ПКЭ необходимо учитывать и дополнительные потери ЭЭ.
Научная проблема состоит в оценке значений высших гармонических составляющих (ВГС) тока и напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ, питающих коммунально-бытовых потребителей; в оценке влияния ВГС
на потери ЭЭ, пропускную способность электрических сетей; в разработке методики определения дополнительных потерь ЭЭ; в поиске и разработке технических средств снижения отрицательных последствий от токов ВГС.
Объектом исследования являются современные узлы нагрузок в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
Предмет исследования: взаимодействие современных узлов нагрузки и электрических сетей 0,38 кВ, устройства повышающие качество электроэнергии и энергоэффективность.
Цель работы:
— Оценка степени влияния бытовых электропотребителей сельскохо
зяйственных/районов, вызывающих несинусоидальность напряжения и тока,
на показатели качества электрической энергии и дополнительные потери
мощности и электроэнергии в электрических сетях 0,38 кВ, обосновыние
технических средств для снижения уровня несинусоидальности в электриче
ских сетях 0,38 кВ.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
Аналитическое и экспериментальное исследование влияния современных бытовых электрических приборов на несинусоидальность кривых напряжения и тока внешней электрическое сети.
Разработка математической модели электрической сети 0,38 кВ, содержащей источники искажения кривых напряжения и тока для расчета дополнительных потерь ЭЭ;
Оценка дополнительных потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях, вызванных потребителями, имеющими нелинейную вольт-амперную характеристику.
Обоснование технических средств, снижающих несинусоидальность напряжений и токов.
Методика исследования.
Для решения вышеперечисленных задач использованы: теория электрических сетей, гармонический анализ, метод симметричных составляющих, метод математического моделирования, теория линий с распределенными параметрами, экспериментальные измерения в действующих электрических сетях с использованием современных средств.
Для проведения исследований, реализующих предложенные методы, использованы пакеты программ MATLAB и Simulink Power System.
Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью постановки задачи, выполнения всех теоретических построений, апробацией полученных результатов на многочисленных примерах, тщательностью проведения экспериментов и совпадением теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Экспериментально определены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики электроприборов, используемых в жилых и общественных зданиях;
Проведена оценка искажающих свойств ВГС напряжения и тока на вводе жилых и общественных зданий на электромагнитные характеристики внешней электрической сети 0,38 кВ;
Разработана математическая модель электрической сети 0,38 кВ, питающей жилые дома и общественные здания, с учетом источников искажения синусоидальности напряжения и тока;
Разработана методика расчета дополнительных потерь ЭЭ, вызванных несинусоидальностью токов и напряжений в электрических сетях, питающих жилые дома и общественные здания. Проведена экспериментально-расчетная оценка дополнительных потерь мощности и электроэнергии.
Обосновано техническое средство электромагнитной компенсации токов ВГС кратных трем.
Практическая значимость основных результатов диссертационной работы состоит в математической модели, позволяющей определить дополнительные потери мощности и электроэнергии в несинусоидальных режимах работы электрических сетей, а также используется при технико-экономическом обосновании и оценке мероприятий, направленных на улучшение качества электроэнергии и энергосбережение.
Реализация результатов исследований. Разработанная методика расчета дополнительных потерь внедрена в учебный процесс кафедры ТОЭ и ЭССХ энергетического факультета АЧГАА. Используется при проведении расчетов потерь мощности и электроэнергии при изучении курса «Электроснабжение сельского хозяйства».
Разработанная методика расчета дополнительных потерь от токов ВГС применяется при расчете потерь мощности и электроэнергии в Сальском филиале ОАО ДонЭнерго «Сальские межрайонные электрические сети СМЭС» и Тихорецких районных распределительных сетях КубаньЭнерго.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель электрической сети 0,38 кВ, позволяющая
произвести оценку дополнительных потерь мощности и электроэнергии, вы
званных несинусоидальными токами и напряжениями.
- результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных
и фазо-частотных характеристик напряжения и тока, а также уровня эмиссии
высокочастотных составляющих тока отдельными электроприборами, уста
новленными в жилых домах и общественных зданиях;
результаты экспериментальных исследований несинусоидальности напряжения и тока на вводе в жилой дом и общественное здание, а так же зависимость степени несинусоидальности от потребляемой мощности;
техническое средство электромагнитной компенсации токов ВГС кратных трем.
Апробация работы. Основные положение диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА и МГАУ им. В.П. Горячкина на секциях энергетических факультетов (2007-2009 гг.).
Анализ электроприемников домохозяйств и предприятий ЖКХ сельскохозяйственных районов и их влияния на синусоидальность напряжения и тока
Данные таблицы 1.1 показывают, что уровень потребления электроэнергии коммунально-бытовым сектором довольно высок. Современные жилые дома сельскохозяйственных районов имеют значительное количество современных электроприборов с нелинейными вольтамперными характеристиками [25]. Электроприемники подобного рода, потребляют ток, форма которого существенно отличается от синусоидальной. Такие электроприемники являются потребителями электроэнергии тока промышленной частоты, одновременно генерируя электроэнергию на более высоких частотах. Протекание несинусоидального тока по элементам сети создает в них падение напряжения, что и является причиной искажения синусоидальности кривой напряжения в той или иной точке электрической сети.
Исследования по выявлению виновников искажения синусоидальности напряжения, проведенные в электрических сетях с коммунально-бытовой нагрузкой, показали, что виновниками искажения являются приемники электрической энергии коммунально-бытовых потребителей [91].
Искажение напряжения в узлах электрической сети, обусловленное протеканием токов искажения, зависит от параметров данной сети (активных и индуктивных сопротивлений ЛЭП и трансформаторов, мощности короткого замыкания и т.д.). В реальных условиях форма кривых тока и напряжения всегда отличается от «идеальной» и оценивается показателями качества электроэнергии.
В современных сельских электрических сетях, питающих коммунально-бытовые электроприемников (жилые дома и общественные здания), нелинейный характер потребления имеют следующие электроприборы [25, 26, 27, 87]: - газоразрядные лампы; - установки электродуговой и контактной сварки; - приборы, имеющие в своем составе преобразователи переменного тока в постоянный ток (выпрямители); - системы бесперебойного питания; - импульсные источники питания; - преобразователи частоты - двигатели с регулируемой скоростью вращения и т.д. Ток намагничивания трансформатора, из-за ферромагнитных свойств сердечника, также является несинусоидальным и содержит 3, 5 и 7-ую гармоники [28 — 32]. Таким образом, из полного перечня бытовых электроприборов, как нелинейные элементы можно выделить: персональные компьютеры, телевизоры, DVD плееры, видеомагнитофоны, аудиосистемы - как приборы имеющие импульсные блоки питания, дрели, стиральные машины, пылесосы - как приборы, имеющие двигатели с регулируемой скоростью вращения; СВЧ печи - как приборы, имеющие преобразователи частоты, энергосберегающие лампы - как приборы газоразрядного освещения и т.д. Из представленного перечня нелинейных электроприборов коммунально-бытового использования видно, что потребители с нелинейной нагрузкой составляют значительную долю от общей нагрузки электрических сетей 0,38, кВ питающих жилые дома и общественные здания. Электропотребление домохозяйств. Уровень электрификации быта зависит от объема производства электроэнергии, материального благосостояния населения, жилой площади дома, культурного уровня населения, тарифов на электроэнергию и некоторых других факторов. Массовый выпуск разнообразных отечественных бытовых приборов и ввоза приборов иностранного производства привел к широкой электрификации жилых домов и квартир сельскохозяйственных районов. Широкое внедрение бытовых электроприборов позволяет сократить время на ведение домашнего хозяйства и улучшить комфортабельность жизни [14]. Современный жилой дом насыщен электроприемниками, которые можно разделить на две основные группы: осветительные и бытовые электроприемники. Электрическое освещение жилых домов осуществляется с помощью бытовых светильников общего и местного освещения. Как правило, жилые дома освещаются лампами накаливания, люминесцентными и энергосберегающими лампами, мощностью 20-120 Вт. Бытовые электроприборы по функциональным характеристикам можно условно подразделить на следующие характерные группы: хозяйственные; для обработки и хранения продуктов; нагревательные для приготовления пищи; культурно-бытовые; санитарно-гигиенические; приборы кондиционирования и отопления помещений (при децентрализованных системах); местные электронагреватели воды. Хозяйственные приборы: стиральные машины, сушилки, утюги, посудомоечные машины, пылесосы, швейные машинки, электрозажигалки, электропаяльники, дрели и т.п. Приборы для обработки и хранения продуктов: холодильники, морозильники, универсальные кухонные машины, кофемолки, миксеры и т.п. Нагревательные приборы для приготовления пищи: электроплиты, фритюрницы, тостеры, электрочайники, кофеварки, СВЧ печи. Культурно-бытовые приборы: телевизоры, персональные компьютеры, аудиосистемы, DVD плееры, видеомагнитофоны, кинопроекторы, радиоприемники и т.п. Санитарно-гигиенические приборы: вентиляторы, фены, увлажнители воздуха, щипцы для завивки волос, электробритвы, машинки для стрижки волос и т.п. Кондиционеры и отопительные приборы: системы климатконтроля, электрорадиаторы, приборы для электроподогрева воды и т.п. Исследования и проведенные расчеты, выполненные различными организациями в течение ряда лет, позволяют привести средние оценочные данные установленной мощности отдельных электроприборов [15], таблица 1.2. Включение электроприемников в жилом доме носит случайных характер в зависимости от многих факторов, в том числе от условий быта, трудового режима семьи, степени насыщения бытовыми приборами, уровней естественной освещенности помещений и т.д.
В зависимости от дня недели и времени года суточные графики нагрузки жилых домов отличаются друг от друга. На характер графика нагрузки влияет сезон во время, которого проводилось измерение (зима или лето),. а также существенное влияние оказывает способ приготовления пищи в квартирах жилого здания.
Наибольший интерес представляют зимние графики нагрузки, так как в это время года бытовое электропотребление наибольшее. С точки зрения способа приготовления пищи графики нагрузки можно разделить на две основные группы: для домов с газовыми плитами и домов с электроплитами.
Потери энергии и мощности при синусоидальных и несинусоидальных формах кривых напряжения и тока
Сбалансированные гармоники, кратные третьей, наводят соответствующие магнитные потоки в стержнях сердечника трансформатора, и если они равны по величине и совпадают по фазе, то напряжения, наведенные в первичной обмотке, будут скомпенсированы. Применение трансформаторов с подобным соединением обмоток приводит к тому, что гармоники нулевой последовательности (кратные трем) не распространяются в электрическую сеть 10 кВ, однако, ущерб от присутствия высокочастотных токов в сети 0,38 кВ не снижается.
Применение трансформаторов с обмотками "треугольник-зигзаг" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют "перекрестную" (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора. Это исполнение обмоток трансформаторов ввиду их конструктивной и эксплуатационной сложности и, как следствие, увеличения затрат по сравнению с силовыми трансформаторами 6-10/0,4 кВ традиционного исполнения, не получило массового применение в действующих электрических сетях.
Применение трансформаторов с симметрирующим устройством (СУ). Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун, и рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора по ней. Недостаток заключается в том, что не в каждый бак трансформатора возможно встроить СУ, а замена на силовой трансформатор с СУ нецелесообразна.
Применение трансформаторов с компенсирующей нейтралью. Гармоники, кратные трем, от источника искажения синусоидальности тока поступают в трансформатор по фазным обмоткам и арифметически суммируются в нейтрали. Для сокращения потерь электроэнергии от несимметричной нагрузки и гармоник тока нейтраль трансформатора укладывается в баке поверх фазных обмоток таким образом, что бы магнитный поток нулевой последовательности в нейтрали и фазных обмотках взаимно компенсировался. Применение этого метода сокращает потери электроэнергии от гармоник кратных трем в трансформаторе. Вместе с тем оно нелегко применимо на практике и не снижает потерь электроэнергии в линиях электропередач.
Для улучшения энергетических характеристик частотного привода используются различные способы широтно-импульсной модуляции (ШИМ): синусоидальная, линейная [45] и пр., и их различные модификации [43, 44].
Широтно-импульсная модуляция преследует цель ослабить существенные по амплитуде высшие гармоники, наиболее близкие к основной. Это достигается тем, что в течение периода повторяемости осуществляется периодическое изменение основной диаграммы работы ключей инвертора при одновременном введении нулевых участков.
Регулирование частоты трехфазного напряжения на выходе инвертора напряжения осуществляется путем изменения частоты переключений транзисторных ключей. Изменение амплитуды трехфазного напряжения производится с помощью широтно-импульсного регулирования (ШИР) [46, 47].
Основным недостатком ШИМ является значительно более высокий уровень потерь мощности как в самих ключах, так и в формирователях области их безопасной работы, к которым относятся RC-цепочки, шунтирующие каждый ключ, и реактор с шунтирующими его диодом и резистором. Во всех этих элементах потери прямо пропорциональны частоте переключения силовых ключей [45, 48]. Применение этого способа решит проблему высших гармоник только в отдельных узлах нагрузки, что не избавит от всей проблемы в целом. Увеличение числа фаз выпрямления.
С увеличением числа фаз выпрямления форма первичного тока преобразователя приближается в токе выпрямителя и, следовательно, уменьшается в напряжении сети [49]. Так, например, при 6-фазной схеме выпрямления в токе вентильного агрегата содержатся 5,7,11,13,17,19,23,25-я гармоники, а при 12-фазной схеме- 11,13,23,25-я гармоники [50, 51, 52]. При этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается в 1,4 раза. Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения содержания высших гармоник в кривых первичного тока преобразователей и напряжения сети. Однако эти устройства получаются слишком сложными, дорогими и ненадежными [53]. На практике увеличение числа фаз выпрямление находит применение в мощных промышленных нелинейных нагрузках.
В структурах однофазных ИБП переменного тока широкое применение нашла полумостовая схема инвертора, содержащая в качестве одного из плечей два последовательно включенных конденсатора [57, 58]. Напряжение на каждом конденсаторе поддерживается стабильным в пределах ±400 В за счет высокочастотного ШИМ управления силового транзистора ККМ с постоянной частотой коммутации 10...20 кГц.
Современные ИБП способны контролировать форму напряжения на каждом полупериоде синусоиды. В настоящее время в подавляющем большинстве систем бесперебойного питания практически любой мощности используются инверторы на биполярных транзисторах с изолированным затвором при высокочастотном широтно-импульсном методе их управления.
Такие системы обладают способностью питания нагрузок с высокими коэффициентами амплитуды тока (3 и выше) за счет переключений на высокой частоте и корректировке формы напряжения на каждом полупериоде. Эта способность отдавать ток с высокими пиковыми значениями может приводить к тому, что форма напряжения на выходе ИБП с двойным преобразованием энергии заметно лучше, чем у промышленной сети на входе системы [59, 60, 61]. Большинство ИБП способно питать нагрузки с высоким значением коэффициента амплитуды, причем коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает 3-6%. Однако это уровень искажений напряжения, получаемый при замерах на выходных клеммах самих ИБП, но не в местах подключения нагрузки [62].
Исследование кривых напряжения и тока совместно подключенных электроприборов
Основной недостаток таких трансформаторов - относительно большое сопротивление нулевой последовательности Z, которое определяется конструктивными особенностями трансформатора, схемой соединения его обмоток, степенью насыщения стержней магнитопровода и др. Следует отметить, что вопросам определения активного R, индуктивного Х и полного Z сопротивления трансформаторов посвящен ряд работ [94 - 100].
При определении этих параметров разными авторами использовались различные методики, вследствие чего результаты сильно различаются между собой. На основе приведенных результатов [94 - 100] можно сделать вывод, что для типов трансформаторов ТМ, ТМА, ТСМА значение Z в 8 -18 раз больше, чем сопротивление прямой последовательности. Такая особенность трансформаторов со схемой соединения звезда - звезда с нулем делает их весьма чувствительными к несинусоидальности фазных токов.
Характерной особенностью выполнения воздушных и кабельных линий напряжением 0,38 кВ является, прежде всего, то, что сечение нулевого провода воздушных линий в 3 - 9 раз меньше суммарного сечения фазных проводов, а сечение нулевой жилы кабеля в 5 - 14 раз меньше суммарного сечения фазных жил.
В результате сопротивление нулевой последовательности воздушных линий в 4 - 10 раз, а кабельных в 6 - 15 раз выше, чем сопротивление обратной последовательности. Кроме того, характерной особенностью сетей 0,38 кВ является то, что активные составляющие полных сопротивлений трансформаторов и линий весьма значительны. Это вызывает необходимость учета последних при проектировании электросетей и расчетах режимов их работы.
Таким образом, в сетях 0,38 кВ возникает значительная несинусоидальность фазных напряжений, обусловленная существенными токами высших гармоник и большими сопротивлениями нулевой последовательности элементов трехфазных четырехпроводных сетей. Проведенный анализ показал, что на исследованных ТП качество электроэнергии по коэффициенту и-ой гармонической составляющей напряжения не соответствует требованиям ГОСТ в 34% случаев [101]. Ws, WM - мгновенная энергия электрического и магнитного полей. Из теоремы Умова - Пойнтинга следует, что процесс передачи ЭЭ имеет двунаправленный характер. Следовательно, энергия может протекать не только от генератора к нагрузке, но и наоборот. Это свойство энергии приводит к снижению эффективности передачи энергии и к увеличению потерь мощности и ЭЭ. Нагрузка, имеющая нелинейный характер потребления, как отмечалось выше, является причиной искажения синусоидальности тока и напряжения. Такая нагрузка обладает преобразовательными свойствами. Потребляя ток основной частоты, она преобразовывает часть энергии в энергию искажений и генерирует ее обратно в сеть, в соответствии с законом Умова — Пойнтинга о двунаправленности ЭЭ. Распространение ВГС тока в сети электроснабжения имеет сложный характер. При наличии в сети не только искажающей, но и нагрузки, имеющей линейный характер потребления, «спокойной» нагрузки, направление распространения токов ВГС будет иметь характер, указанный на рисунке 2.6 [102]. /иск, /иск і, /иск2 - токи ВГС, вызванные преобразованием тока 1осн2 искажающей нагрузкой; Т - трансформатор. Высшие гармоники создают магнитные поля различных последовательностей. Так как кривые напряжений в каждой фазе сдвинуты между собой на 1 /3 (или на полный период третьей гармоники), то токи третьей гармоники совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. То же касается и всех гармоник, кратных трем. Поэтому токи гармоник, кратных трем, не могут существовать в трехфазной сети без нулевого провода или выйти за пределы обмоток, соединенных в треугольник. Порядок чередования фаз для гармоник п = 4, 7, 10, 13,...( ) совпа- дает с прямым, а гармоник п = 2, 5, 8, 11,...( ) - с обратным порядком. Бо лее сложное воздействие на систему оказывают гармоники, амплитуды кото рых различны в каждой фазе. Например, при подключении к сети однофазных потребителей, каждый из которых регулируется по собственной нагрузке. В этом случае несиммет ричная система векторов каждой гармоники может быть, в свою очередь, разложена на симметричные составляющие, при этом обратная последовательность гармоник п — 2, 5, 8, 11,... будет совпадать с чередованием фаз основной частоты, а гармоник п — 4, 7, 10, 13,... иметь обратный порядок. Искажения представляют собой векторные величины, суммирование которых может приводить к результату в диапазоне от арифметического сложения (при совпадающих фазных углах) до арифметической разности (при противоположных фазных углах) [103] При независимых векторах, модули которых изменяются случайным образом в диапазоне от 0 до 1, а фазовые углы - от 0 до 360, модуль их суммы определяют исходя из закона квадратичного суммирования. Векторами, суммируемыми случайным образом, можно считать напряжения обратной и нулевой последовательностей. Исследования [104] показали, что гармоники, создаваемые преобразователями, суммируется различными способами в зависимости от порядка гармоники: для 3, 5, 7-ой гармоник - арифметически, для 11, 13-ой гармоник -в степени 1,4 для гармоник более высоких порядков - во второй степени. Полностью случайный характер суммирования может быть допустим для неканонических (четных) гармоник, а также для любых гармоник, создаваемых не преобразовательными установками. Обозначив показатель степени, характеризующий механизм суммирования, через а, общая формула для суммарного уровня искажения рассматриваемого вида имеет вид:
Дополнительные потери мощности и ЭЭ в сельских электрических сетях питающих жилой сектор
Для оценки реальной картины электроснабжения коммунально-бытового сектора необходимо исследовать влияние современного жилого дома на режимы работы и ГЖЭ схемы электроснабжения сети 0,38 кВ.
Оценка дополнительных потерь мощности и ЭЭ в электрических сетях может быть осуществлена инструментально-расчетным методом. Для этого часть исходных данных, необходимых для расчета потерь, определяется путем измерений, а затем по соответствующим схемам замещения для отдельных гармонических составляющих рассчитываются режимы и определяются дополнительные потери мощности и электроэнергии. Исходными данными для расчета являются результаты измерений напряжений и токов высших гармонических составляющих в сети.
Для получения данных о влиянии узлов нагрузки жилого и общественного сектора электропотребления на искажение синусоидальности напряжения и тока в сетях 0,38 кВ и начальных данных для расчета дополнительных потерь вызванных несинусоидальностью необходимо провести следующие экспериментальные исследования: 1. Исследование кривых напряжения и тока отдельных электроприборов. 2. Исследование кривых напряжения и тока совместно подключенных электроприборов. 3. Исследование несинусоидальности тока и напряжения на электрических вводах жилых домов 4. Исследование несинусоидальности тока и напряжения на электрических вводах общественных зданий. Выполнение перечисленных экспериментальных исследований позволит оценить амплитудно - частотные и фазо - частотные характеристики отдельных электроприемников жилого дома и общественного здания. Определить долю нелинейных электроприемников в современных жилых домах и общественных зданиях. Оценить уровень эмиссии высокочастотных составляющих тока во внешнюю электрическую сеть и влияние жилых домов и общественных зданий на искажение синусоидальности кривых напряжения и тока во внешней электрической сети. Произвести расчет дополнительных потерь электроэнергии, вызванных несинусоидальностью напряжения и тока. 3.2 Описание эксперимента При проведении измерений основными этапами, влияющими на достоверность результатов, являются: - выбор контрольных точек измерения; - длительность измерения в каждой точке. Контрольные точки измерения целесообразнее всего выбрать в точке присоединения электроприбора к сети, на электрическом вводе узла нагрузки и на границах исследуемой сети (шины трансформатора), у источников искажения синусоидальности кривых тока и напряжения. Продолжительность необходимых измерений должны быть определены длительностью характерных режимов источников искажения. При отсутствии достоверной информации о продолжительности характерных режимов следует воспользоваться рекомендациями ГОСТ 13109-97, в соответствии с которыми минимальная обязательная длительность измерений при контроле ТО составляет 1 сутки, а рекомендуемая 7 суток. В электрических сетях общего назначения при решении большинства задач используются интервалы осреднения 0,5 часа или 1 час. Дополнитель ные потери, обусловленные несинусоидальностью токов и напряжений, необходимо рассматривать как неотъемлемую составляющую потерь ЭЭ в сети в целом. Поэтому для их расчета следует использовать исходные данные, полученные аналогично данным для расчета основных потерь. Таким образом, параметры, характеризующие несинусоидальность токов и напряжений, следует измерять с интервалами осреднения равными 0,5 часа. Экспериментальные исследования производились прибором, внесенным в государственный реестр средств измерения, ШОКІ 9624-50. При проведении измерений регистрировались коэффициенты, определяющие несинусоидальность напряжения и тока (Ки, Ки(п), Ki, Ki(nJ), значение потребляемой мощности, напряжения и силы тока, а так же, измерительный прибор работал в качества электронного осциллографа. Значение коэффициентов п - ой гармонической составляющей напряжения и тока Ки(п)„ Ki(n) регистрировались вплоть до 40 -ой гармоники, однако результаты в таблицах приведены только для нечетных гармоник, так как четные гармоники имеют меньшие значение и суммируются в электрической сети случайным образом. Исследование кривых напряжения и тока, отдельных электроприборов Измерения амплитудно - частотных и фазо - частотных характеристик напряжения и тока, а так же уровня эмиссии ВГС тока отдельными электроприборами производились непосредственно в точке подключения электрического прибора к внутридомовой электрической сети. Для повышения точности измерений к электрической сети дома подключался только исследуемый прибор. Измерительный прибор во время эксперимента (рисунки 3.1 и 3.2) получал питание от внутреннего источника и не оказывал влияния на результаты эксперимента.
