Способы снижения несимметрии напряжения





Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Нормы приведенных показателей установлены в 1, 2.

1 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

2 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Причины, которые вызывают несимметрию

Напряжение в трехфазной сети может быть симметричным. Несимметричное напряжение нормируется по его параметрам на основной частоте. Если амплитуды фазных напряжений равны и сдвиг фаз (угол между ними) одинаков, то напряжение симметрично. Аналогичное определение может быть распространено и на токи.

Рисунок 1 — Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая искажение симметрии напряжения

При этом всегда при оценке несимметрии напряжения трехфазной сети в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54149-2010 имеют в виду напряжение (ток) основной частоты (1-я гармоника). Тогда как несим­метричная система может быть образована на любой частоте, в том числе и на частоте высших гармоник. Это обстоятельство необхо­димо учитывать при расчете или измерениисимметричных составляющих напряжений (токов) в сети с несинусоидалышм напряже­нием следующим образом: сначала выделяют основную гармонику напряжения, а затем рассчитывают ее симметричные составляющие. [1]

Причин несимметрии напряжений много, но основная из них — это несимметрия токов в сети, что обусловлено неравенством нагрузки по фазам. Значительная часть бытовых и промышленныхэлектроприемников имеют одно- или двухфазное исполнение и при­соединяются к сетям 380 В. Именно для питания таких электропри­емников сети напряжением 380 В имеют четырехпроводное исполне­ние. Обмотка 380 В трансформаторов, питающих такие сети, соеди­нена в «звезду», а ее нейтраль выводится четвертым токоведушим проводом. Без «нулевого» провода эксплуатация сети невозможна. При его обрыве наступает аварийная ситуация, обусловленная существенной несимметрией напряжения. При этом на отдельных фазах напряжение приближается к междуфазному (380 В), а на дру­гих — к нулю.

Несимметрия напряжений наблюдается в сетях 6—10 кВ как результат нссимметрии нагрузки в сетях 380 В. Подключенные к сетям 6—10 кВ электроприемники имеют трехфазное исполнение. Однако и среди них имеются такие, которые способны создавать несимметрию. К ним относятся, например, дуговые сталеплавильные печи. Регулирование тока электрической дуги в таких печах осущест­вляется пофазно. В режиме расплава могут возникать и эксплуатаци­онные несимметричные короткие замыкания. Высокопроизводитель­ные ДСП-100 и ДСП-200 получают питание от сетей 110—330 кВ.

В сетях высокого напряжения несимметрия может быть обуслов­лена конструкцией линии из-за неравенства ее сопротивлений по фазам. Для симметрирования сопротивлений фаз линии проводят транспозицию фазных проводов, что требует сооружения специаль­ных транспозиционных опор. Конструкции таких опор сложные и дорогостоящие, кроме того, они являются элементами, повреждения в которых наиболее вероятны. Поэтому количество опор стремятся уменьшить, что, естественно, отражается на симметрии напряжений, но способствует повышению надежности электроснабжения. [2]

Еше одна причина несимметрии напряжений — это неполнофазные режимы в сетях с изолированной нейтралью. Их относят к осо­бым, но допустимым по условиям эксплуатации режимам. Эти режимы допускают для сохранения электроснабжения потребителей в ущерб симметрии напряжений на приемном конце такой линии. К таким же особым режимам следует отнести режимы с замыканием на землю одной из фаз в сетях с изолированной нейтралью.

Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметрич­ными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулеой последовательности. Прямая последовательность является основ­ной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Утроенное значение токов нулевой последовательности в нулевых проводах сетей напряжением 380 В приводит к их пере­грузке. Замыкаясь в обмотках трансформаторов, соединенных в «треугольник», токи нулевой последовательности создают эффект подмагничивания. Однако благодаря этому токи нулевой последова­тельности не проникают в сеть 6—10 кВ из сети 380 В.

Ущерб от искажения симметрии напряжения

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несим­метрии напряжения по обратной последовательности К2и согласно ГОСТ 13109—97 для сетей всех номинальных напряжений составляют соответственно ±2 и ±4 %.

Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к воз­никновению токов обратной последовательности I2U, а в четырехпроводных сетях — токов нулевой последовательности IOU.

Токи I2U вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вра­щения роторов асинхронных двигателей и производительность при­водимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увели­чение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности и, как следствие, снижением напряжения.

При несимметрии напряжений, составляющей 2 %, срок службы асинхронных двигателей ввиду дополнительных потерь активной Мощности сокращается на 10,8 %, синхронных — на 16,2 %, транс­форматоров — на 4 %, конденсаторов — на 20 %. Для того чтобы избежать дополнительного нагрева, нагрузка двигателя (момент на валу) должна быть снижена.

Согласно МЭК 892 номинальная нагрузка двигателя допускается при К2U < 1 %. При коэффициенте обратной последовательности 2 % нагрузка двигателя должна быть снижена до 96 %, при 3 % — до 90 %, при 4 % — до 83 % и при 5 % — до 76 %. Эти цифры справед­ливы при условии, что двигатель работает с постоянной нагрузкой т.е. в установившемся тепловом режиме.

Исследования, проведенные в энергосистемах Урала и Сибири, где источником несимметрии являются электрифицированные желез­ные дороги (ЭЖД), горно-обогатительные комбинаты, лесопромыш­ленные комплексы, показали, что максимальные значения К2U наблю­дались в пределах полигонов Западно-Сибирской электрифицирован­ной железной дороги: 1,5 % в сетях 220 кВ, 7,5 % в сетях 27,5 кВ и 9,2% в сетях 10,5 кВ. Аналогичные значения были получены при измерениях в сетях Южно-Уральской и Восточно-Сибирской ЭЖД.

Под воздействием этих искажений были зарегистрированы пре­ждевременный выход из строя крупных синхронных машин, насос­ных станций в западной части Иркутской энергосистемы, нарушения работы устройств сигнализации и блокировки на Южно-Уральской ЭЖД.

Опасные условия для эксплуатации четырехпроводных сетей напряжением 0,38 кВ с однофазной нагрузкой (коммунально-быто­вые сети, сети жилых зданий и поселков) создаются за счет смеще­ния нейтрали, обусловленного повышенным сопротивлением нуле­вого провода. Крайним аварийным режимом является режим, обусловленный обрывом нулевого провода, когда фазные напряжения (220 В) возрастают до междуфазных (380 В) или дости­гают близких к ним знаний. [3]

 

Способы снижения несимметрии напряжения

Общая характеристика способов симметрирования

Существующие способы, направленные на симметрирование фазных токов в распределительной сети 0,38 кВ, ведущие к снижению дополнительных потерь и улучшению качества электрической энергии, можно разделить на следующие группы:

1) Периодическое выравнивание по фазам трёхфазной сети однофазных нагрузок (перераспределение однофазных нагрузок).

2) Уменьшение сопротивления нулевой последовательности отдельных элементов электрической сети (трансформаторов потребительских ТП и линий электропередачи).

3) Применение замкнутых и полузамкнутых схем.

4) Поперечная компенсация реактивной мощности.

Рассмотрим эти способы более подробно.

1. Перераспределение однофазных нагрузок

Это наиболее простой, доступный в условиях эксплуатации электрических сетей, способ, не требующий капитальных затрат. Его применение позволяет существенно уменьшить несимметрию напряжений и токов (ННТ) в электрических сетях с коммунально-бытовой и смешанной нагрузками.

Многолетние наблюдения в распределительных сетях 0,38 кВ показали, что правила симметричного подключения однофазной нагрузки нарушаются в 90% случаев. Такая халатность службы электрификации отдельных хозяйств приводит к тому, что хозяйство терпит значительные убытки от низкого качества и дополнительных потерь электрической энергии, обусловленных ННТ, но не предпринимает мер для обеспечения перераспределения нагрузок. Следует отметить, что некоторые хозяйства не имеют даже средств контроля распределения нагрузки, простых токоизмерительных клещей.

В месте с тем, перераспределение нагрузок производить необходимо, так как проведенными исследованиями установлено, что потери электрической энергии, обусловленные ННТ, могут быть снижены на 15…20 %. Кроме того, значительно улучшается качество электрической энергии и, в первую очередь, такие основные показатели качества как отклонение напряжения, коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения.

Поэтому, для минимизирования ННТ необходимо проводить следующие мероприятия.

1. Периодический (не реже одного раза в год) контроль состояния несимметрии токов и напряжений в распределительной сети 0,38 кВ,

путем осуществления замеров этих величин на трансформаторной подстанции (ТП).

Замена неполнофазных ответвлений на полнофазные.

Составление карты (схемы) распределения нагрузок в сети, и осуществление дальнейших подключений в соответствии с этой схемой.

2. Снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электрической сети

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, что уменьшение сопротивления R0 сети приводит к увеличению в ней токов нулевой и обратной последовательностей, т.е. к увеличению коэффициентов К0i и К2i,. 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. Это приводит к неоправданному удорожанию сети 0,38 кВ.

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».

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». 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».

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 :

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.

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. Так, например, довольно эффективно применение специального трансформатора, разработанного в Белорусском ГАУ под руководством профессора А.П. Сердешнова

.3. Применение замкнутых и полузамкнутых схем сети 0,38 кВ

Снижение несимметрии токов за счёт дополнительного эффекта выравнивания нагрузок фаз может быть получено при переводе сети 0,38 кВ в режим полузамкнутой или замкнутой сети. В первом случае замыкается сеть, питающаяся от одного распределительного трансформатора (РТ), во втором — от нескольких РТ. Наиболее благоприятно, в отношении выравнивания нагрузок по фазам, замыкание линий, присоединяемых к одному РТ, поскольку напряжение на клеммах трансформатора при этом одинаково по величине и по фазе для всех линий. При этом точки токораздела устанавливаются между точками питания для каждой из фаз линии. Эти нагрузки будут тем больше выравниваться, чем больше будет число замыкаемых линий сети низшего напряжения.

Выравнивание нагрузки фаз в замыкаемых линиях снижает несимметрию напряжений вдоль линии. Поскольку в каждой из замыкаемых линий величины и фазы симметричных составляющих токов и напряжений являются случайными величинами, то математическое ожидание напряжения обратной последовательности составляет 33% от максимального в незамкнутых линиях.

Замыкания сети благоприятно сказывается на выравнивании нагрузок фаз и перераспределении симметричных нагрузок между участками сети. Таким образом, при замыкании сети повышается качество напряжения, уменьшаются потери за счёт разгрузки нулевого и фазных проводов. Однако в этом случае необходимо учитывать следующее:

— в замкнутой сети, содержащей в себе несколько распределительных трансформаторов, неизбежно будут протекать уравнительные токи, которые создают дополнительные потери мощности и электрической энергии;

экономическая эффективность данного способа уменьшается с увеличением числа замыкаемых магистралей.

4. Поперечная компенсация реактивной мощности

Использование конденсаторных установок поперечной компенсации реактивной мощности электрических сетей для снижения несимметрии токов достаточно полно рассмотрено во многих источниках.

Путём несимметричного распределения по фазам мощностей конденсаторных батарей, предназначенных для компенсации реактивной мощности в электрической сети, можно одновременно с повышением коэффициента мощности добиться компенсации токов обратной последовательности в линии и трансформаторе. Следует отметить, что этот способ может быть применим в том случае, когда обеспечивается определённая стабильность несимметрии нагрузок в сети, что характерно для ННТ. [4-6]





Читайте также:
Русский классицизм в XIX веке: Художественная культура XIX в. развивалась под воздействием ...
Историческое сочинение по периоду истории с 1019-1054 г.: Все эти процессы связаны с деятельностью таких личностей, как...
Расчет длины развертки детали: Рассмотрим ситуацию, которая нередко возникает на...
Развитие понятия о числе: В программе математики школьного курса теория чисел вводится на примерах...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.021 с.