CC BY
154
УДК 621.314.26
АНАЛИЗ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ 0,4 КВ КТПН И ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК
© В.М. Зырянов1, Н.А. Митрофанов2, Ю.Б. Соколовский3
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20.
При неуклонном росте количества и мощности нелинейных нагрузок в электроэнергетике высшие гармоники тока и напряжения существенно ухудшают условия эксплуатации основных элементов силового оборудования энергосистем, негативно влияют на устройства релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи, что в итоге нередко приводит к серьезным технологическим сбоям и значительным экономическим издержкам. Разработка методов и средств снижения уровня высших гармоник в энергосистемах становится все более актуальной задачей. Проведено экспериментальное исследование качества электроэнергии в автономной системе электроснабжения одного из предприятий нефтегазодобывающей отрасли на шинах 0,4 кВ подстанции 6/0,4 кВ. Инструментальный анализ выполнен с помощью анализатора качества «Ресурс-UF2M». Выявлен гармонический состав токов и напряжений, аналитически рассчитаны параметры фильтрокомпенсирующих устройств. Предложены схемные конфигурации фильтрокомпенсирующих устройств, рассчитаны их параметры. Показана эффективность рассчитанного резонансного фильтра высших гармоник. Схемные конфигурации фильтрокомпенсирующих устройств применимы при разных условиях эксплуатации электрооборудования и в зависимости от поставленных целей могут использоваться как обособленно, так и в виде системного комплекса.
Ключевые слова: высшие гармоники; анализатор качества; гармонический состав; коэффициент искажения; частотный спектр; фильтрокомпенсирующие устройства.
ANALYSIS OF THE HARMONIC COMPOSITION OF CURRENT AND VOLTAGE ON THE TIRE 0,4 KV SUBSTATIONS 6/0,4 KV AND THE USE OF LIMITING DEVICES OF HIGHER HARMONICS V.M. Zyryanov, N.A. Mitrofanov, Ju.B. Sokolovskij
Novosibirsk state technical university, 20 K.Marks St., Novosibirsk, 630073
Higher harmonics of current and voltage to significantly impair the conditions of operation of the main elements of the power equipment of power systems, have a negative impact on relay protection devices, automatics, telemechanics and communication, which ultimately often leads to serious technological failures and a significant economic cost, given the steady increase in the number and power of nonlinear devices in the power industry. Development of methods and means of reducing the level of higher harmonics in power systems is becoming more urgent task. An experimental study of power quality in the Autonomous power supply system of one of the enterprises of oil and gas industry on the 0,4 kV bus of the substation 6/0,4 kV. Instrumental analysis, performed with the aid of quality analyzer "Resource-UF2M". Identified the harmonic composition of currents and voltages. Analytically calculated parameters of var compensating devices. The proposed circuit configuration var compensating units calculated parameters. The efficiency calculated resonant filter of higher harmonics. The proposed circuit configuration var compensating devices are applicable under different conditions of operation of electrical equipment and depending on your goals, can be used both separately and in the form of a complex system.
Keywords: harmonics; quality analyzer; harmonic composition; distortion factor; frequency spectrum; filter-devices.
Введение
В промышленности все большее распространение получают электроприемники с нелинейной вольт-амперной харак-
теристикой. К ним относятся, прежде всего, разнообразные преобразователи на полупроводниковой элементной базе. Вследствие роста доли нелинейной нагрузки воз-
1
Зырянов Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электроэнергетических систем, e-mail: zvmov@ngs.ru
Zyryanov Vyacheslav, Candidate of technical sciences, docent department of automated electric systems, e-mail: zvmov@ngs.ru
2Митрофанов Николай Александрович, студент, e-mail: feiton270492@mail.ru
Mitrofanov Nikolai, student, e-mail: feiton270492@mail.ru
3Соколовский Юлий Борисович, кандидат технических наук,
Sokolovsky Julius, Candidate of technical sciences,
Хайфа, Израиль, e-mail: sokol1937y@gmail.com
Haifa, Israel, e-mail: sokol1937y@gmail.com
растает и негативное влияние высших гармоник (ВГ) на работу силового оборудования энергосистем, устройств релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Экономический ущерб от ВГ обусловлен ухудшением качества электроэнергии, снижением надежности функционирования энергосистемы и сокращением срока службы оборудования [1].
Несинусоидальность напряжения и тока приводит к дополнительным потерям в основных силовых элементах энергосистемы, затрудняет компенсацию реактивной мощности с помощью устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ), сокращает срок службы изоляции электрических машин, приводит к возникновению дополнительной вибрации электрических машин, снижает эффективность функционирования устройств автоматики, телемеханики и связи [2-4].
Перетоки мощности на высших гармониках в сети значительно загружают установленные на подстанциях (ПС) и у потребителей конденсаторные установки (КУ) со стороны 6 и 0,4 кВ, соответственно. В связи с загрузкой токами ВГ для большей части возможных режимов КУ 0,4 кВ последние не способны обеспечить полную компенсацию реактивной мощности в узле нагрузки. Кроме того, при изменении режима энергосистемы производятся коммутации ступеней КУ автоматической системой управления, вследствие чего возникают коммутационные переходные процессы. В результате КУ во время этих переходных процессов нагружается дополнительными токами высших гармоник, что в итоге увеличивает риск выхода из строя элементов конденсаторной установки.
Анализ работы системы в условиях несинусоидальных напряжений и токов проведен в одной из автономных энергосистем нефтегазодобывающей отрасли со значительной долей нелинейной нагрузки. Энергосистема оснащена устройствами компенсации реактивной мощности без защитных реакторов на напряжении 6 и 0,4 кВ.
Решение установки БСК на стороне 0,4 кВ для компенсации реактивной мощности является обоснованным, но при их выборе не было учтено то, что в сети автономной энергосистемы значительная часть нагрузки имеет нелинейную вольт-амперную характеристику.
Инструментальная оценка качества электроэнергии
Степень искажения кривой тока и напряжения количественно характеризуется суммарным коэффициентом гармонических составляющих и коэффициентом п-й гармонической составляющей. Первый описывает влияние всего высокочастотного спектра высших гармоник в сети на искажение формы кривой напряжения или тока. Коэффициент п-й гармонической составляющей отражает долю рассматриваемой гармоники в составе кривой по отношению к основной гармонике. Стандартами РФ и зарубежных стран регламентированы допустимые значения для этих коэффициентов в энергосистеме, превышение которых приводит к значительному технологическому и экономическому ущербу. В табл. 1 и 2 приведены выдержки из ГОСТ 32144-2013 РФ, а в табл. 3 и 4 - из стандартов Австралии и США (1ЕЕЕ^ 519).
В рассматриваемой автономной энергосистеме имеются газопоршневая (ГПЭС) и газотурбинная (ГТЭС) электростанции, работающие на попутном газе, суммарной мощностью 170 МВт, которые обеспечивают электроэнергией всю инфраструктуру добычи и транспортировки нефти, включая жилой и административный секторы. Структура электропотребления характерна для нефтедобывающих регионов: синхронная и асинхронная нагрузка с двигателями значительной единичной мощности, с устройствами плавного пуска и частотно-регулируемыми электроприводами; выпрямительная нагрузка с устройствами подогрева скважин и станциями управления электроцентробежных насосов (ЭЦН); осветительная и бытовая нагрузка. В составе энергосистемы 10 ПС 35/6 кВ и более 100 комплектных трансформаторных подстанций (КТПН).
Выдержки из ГОСТ 32144-2013 РФ
Таблица 1
Нормально допустимое зн кнси,% при Унпм, кВ ачение Предельно допустимое значение кнси,% при Унпм,кВ
0,38 6-20 35 110-330 0,38 6-20 35 110-330
8,0 5,0 4,0 2,0 12,0 8,0 6,0 3,0
Выдержки из ГОСТ 32144-2013
Таблица 2
Ф
Нечетные гармоники %, не кратные 3 при иМм, кВ Нечетные гармоники ^ %, кратные 3 при инпм, кВ Четные гармоники при иМм, кВ
V 0,38 6-20 35 V 0,38 6-20 35 V 0,38 6-20 35
5 6,0 4,0 3,0 3 5,0 3,0 3,0 2 2,0 1,5 1,0
7 5,0 3,0 2,5 9 1,5 1,0 1,0 4 1,0 0,7 0,5
11 3,5 2,0 2,0 15 0,3 0,3 0,3 6 0,5 0,3 0,3
13 3 2,0 1,5 21 0,2 0,2 0,2 8 0,5 0,3 0,3
17 2 1,5 1,0 >21 0,2 0,2 0,2 10 0,5 0,3 0,3
Выдержки из стандарта Австралии
Таблица 3
^сети ,к В Максимально допустимые значения токов ВГ мА/кВт
5 7 11 13 17 19 23 > 23
6,6 3,5 2,5 1,6 1,3 1,0 0,9 0,76 5,0
22 1,8 1,3 0,82 0,69 0,53 0,47 0,39 0,7
33 1,2 0,86 0,55 0,46 0,35 0,32 0,26 0,24
Таблица 4
Выдержки из стандарта США_
Максимально допустимые значения токов ВГ, в % от тока нагрузки 7Ь
h/h V < 11 11 < v < 17 17 < v < 23 23 < v < 35 23 < v ^НС
<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5
20-50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8
50-100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12
100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15
Для оценки степени искажения синусоидальности напряжения и тока в распределительной сети на одной из КТПН 6/0,4 кВ на часть отходящих фидеров, вводе и БСК на напряжение 0,4кВ устанавливался анализатор качества электроэнергии «Ресурс-UF2M». Результаты замеров представлены в табл. 5.1-5.2, где кмв - значение коэффициента суммарного искажения синусоидальности для линейного напряже-
ния; кш/ - значения коэффициентов п-й
гармонической составляющей по напряжению. Аналогично описанным выше коэффициентам по напряжению, в табл. 5.1-5.2 отображены значения коэффициентов по
току КАа ■
Осциллограммы напряжений и токов, полученные с помощью осциллографа Hantek DSO 1102B, приведены на рис. 1.
Таблица 5.1
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения _и тока КТПН 6/0,4 на стороне 0,4 кВ_
Узел замера klA,% klB,% klC,% k,AB,% k,SC,% kuCA,%
К.56 ввод 0,4 кВ 31,8 33,2 34,2 6,2 6,3 6,4
К.56 ф. 0,4 кВ УПС 36,6 35,7 38,7 5,9 5,9 6
К.62 ф. 0,4 кВ УПС 37,5 35,9 39 6 6 6,15
К.62 БСК 0,4 кВ 47,7 40,77 45,2 5,4 5,4 5,5
К.37 ввод 0,4 кВ 43 43,5 43,3 15,3 16,3 16,4
К.37 БСК 0,4 кВ 93,1 94,9 98,1 15,5 16,5 16,3
К.37 ф. 0,4 кВ УПС 34,9 38,7 37,7 12,7 13,2 13,4
Таблица 5.2
Коэффициенты у-й гармонической составляющей напряжения _и тока КТПН 6/0,4 на стороне 0,4 кВ_
Узел замера
v = 2 v = 3 v = 5 v = 7 v = 11 v = 13
К.56 ввод 0,4 кВ 0,26; 1,9 0,16; 12,1 5,92; 29,26 1,01; 7,72 1,11; 7,75 0,53; 2,35
К.56 ф. 0,4 кВ УПС 0,25; 3,3 0,136; 3,96 5,56; 31,92 0,79; 11,32 1,16; 11,19 0,49; 3,68
К.62 ф. 0,4 кВ УПС 0,04; 4,61 0,15; 6,63 4,44; 42,9 1,63; 10,6 1,55; 12,5 1,08; 3,0
К.62 БСК 0,4 кВ 0,12; 0,17 0,16; 0,47 4,58; 22,8 1,67; 11,7 1,19; 13,0 1,03; 13,46
К.37 ввод 0,4 кВ 0,12; 2,64 0,26; 0,66 14,2; 35,0 4,35; 16,4 3,18; 16,19 1,22; 4,46
К.37 БСК 0,4 кВ 0,15; 0,38 0,29; 1,69 14,0; 72,0 4,75; 31,0 3,82; 40,6 1,4; 18,1
К.37 ф. 0,4 кВ УПС 0,12; 3,47 0,18; 2,28 11,7; 28,72 4,3; 11,26 2,5; 9,76 1,13; 6,85
Рис. 1. Осциллограммы токов КТПН 6/0,4 на отходящих фидерах 0,4 кВ
Анализ результатов замеров показывает, что суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения КТПН 6/0,4 на стороне 0,4 кВ превышает регламентированные ГОСТ 32144-2013 РФ нормативы. Значение коэффициента 5, 7, 11-й гармоник также выходит за установленные пределы. Ввиду отсутствия единого стандарта в РФ по предельно допустимым гармоникам тока, для сопоставления гармонического состава тока используем зарубежные стандарты: австралийский и США - !ЕЕЕ8М 519. Здесь так же, как и в случае с напряжением, наблюдается превышение нормативов, но, в отличие от гармоник напряжения, в процентном отношении искажения формы по току имеют весьма существенные значения и в некоторых случаях составляют больше половины основной гармоники. Такое искажение формы кривой тока, согласно стандарту США, считается недопустимым, так как оборудование энергосистемы не рассчитано на эксплуатацию при таком качестве электроэнергии. Очевидно, что в РФ нормирование степени искажения формы кривой тока также со временем будет введено.
Ниже рассматриваются мероприятия по ограничению ВГ в энергосистеме.
Разработка технических мероприятий по снижению ВГ
Снижения уровня высших гармоник в сети добиваются установкой силовых фильтров. Предлагается к рассмотрению несколько различных конфигураций этих
устройств. На рис. 2, б представлена схема резонансного фильтра. Фактически принцип его действия описывается выражением Хь = Хс. При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений на частоте настройки фильтра vр наступает резонанс напряжений, и реактивное сопротивление цепи становится практически равным нулю, а ток резонансной частоты закорачивается фильтром, не попадая в сеть.
Такой тип фильтра является весьма эффективным, так как необходимая мощность батарей конденсаторов, устанавливаемых в фильтр, в некотором приближении равна мощности основной гармоники и той гармоники тока, на которую настроен фильтр. Учитывая особенности исследуемой энергосистемы, предлагается: на КТПН 6/0,4 кВ со стороны низшего напряжения дополнить уже существующие БСК 0,4 кВ дросселями, включаемыми в цепь последовательно с конденсаторными батареями (рис. 2, а); либо установить в дополнение к Бск новое ФКУ (фильтрокомпенсирующее устройство) на шинах той же подстанции (рис. 2, б).
Применение фильтров на КТПН со стороны 0,4 кВ предотвратит распространение ВГ в самой системе, тем самым локализуя искажения, генерируемые нелинейной нагрузкой, в пределах каждого из фидеров. Дополнение существующих БСК дросселями упростит этапы введения оборудования в эксплуатацию. Использование
Рис. 2. Конфигурация фильтров (без учета активной составляющей дросселя): а - модернизация БСК; б - вновь вводимое ФКУ
ФКУ, совместно с реконструкцией БСК, повысит компенсирующую способность данного узла системы и в большей степени снизит распространение ВГ и в сеть 6 кВ. Помимо всего вышесказанного, повысится надежность работы и произойдет разгрузка БСК по токам ВГ, тем самым увеличится их срок службы.
Расчет основных параметров фильтров
Определение параметров ФКУ напряжением <1 кВ имеет некоторые особенности, связанные с наличием значительных активных сопротивлений сети и сложностью на практике осуществить точную настройку на резонансную частоту. В связи с низкой добротностью, вызванной значительным активным сопротивлением устройств, ФКУ на напряжении 0,4 кВ слабо чувствительны к изменению частоты напряжения, а также у них в меньшей мере, по сравнению с ФКУ сетей 6-10 кВ, выражена зависимость коэффициента передачи при отклонениях параметров индуктивных и емкостных элементов от номинальных значений.
При дальнейших расчетах для учета активной составляющей сопротивления рассматриваемой сети приняты эквивалентные значения активного и реактивного сопротивлений: ^квс0 4 = 0,0026 Ом;
Xэт.сОА = 0,0076 Ом.
1. Определение мощности БК ФКУ v-й гармоники.
Q6v=-
3 • U • Т
ном. p v6
Г 1 —10.5 '
[ 1.6 -«2 • к ]
где К = ит/ин0мР; 1уб - ток резонансной гармоники; С/н - номинальное напряжение установки; = 3,08 Ом;
Я = 0,008 Ом - параметры фильтра.
Коэффициент а с учетом активного сопротивления ФКУ:
S =
Vp • Xф/
1 + (V - !)•[Xф/Яф ]2
2. Определение коэффициента то-кораспределения между ФКУ и сетью.
КР -
1
1 ^Vp ' [Xэкв.сЪл!Яэкв.с0.4
]2
( R ^ 1 + Яф
R
+ УР [ Xэ
экв.сОл/Яэкв.с0.4 ]
экв.с0.4 J
Результаты промежуточных расчетов параметров ФКУ сведены в табл. 6.
3. Оценка эффективности фильтра - коэффициенты передачи по току и напряжению.
Кратность снижения напряжения и тока v-й гармоники после подключения ФКУ, в предположении, что фильтр настроен идеально, определяется следующим выражением:
k -
knuv
R,
K
vp
R
v 2 '
жению:
* 1 ' (Хэкв.с0л/ ^экв.с0.4 )
Коэффициент передачи по напря-- Для 5-й гармоники
8 0,858
k -
knu5
2,6 1 + 5 •( 7,6/2,6)2
-0,06.
Таблица 6
Расчет параметров ФКУ
Номер гармоники v-5 v-7 v-11
Коэффициент а 1,021 1,01 1,004
Мощность ФКУ, кВар 56,75 35,36 27,3
Коэффициент kvp 0,858 0,927 0,892
0.5
2
2
- Для 7-й гармоники
8 0,927
k =
k Пи 7
k =
k ПиИ
2,6 1 + 7 •( 7,6/2, б)2
- Для 11 -й гармоники
8 0,892
= 0,03.
= 0,045.
2,6 1 +11 • (7,6/2, б)2
Коэффициент передачи по току:
- Для 5-й гармоники
кш = 1 - 0,858 = 0,142.
- Для 7-й гармоники
кпл = 1 - 0,927 = 0,073.
- Для 11 -й гармоники
кпт = 1 - 0,892 = 0,108.
Заключение
На основании полученных результатов можно судить о целесообразности применения силовых фильтров для улучшения синусоидальности токов и напряжений в энергосистеме, что подтверждает расчет резонансного фильтра ВГ, эффективность которого оценена соответствующими коэффициентами.
Предложенные схемные конфигурации фильтрокомпенсирующих устройств однозначно применимы при требуемых условиях эксплуатации электрооборудования и в зависимости от поставленных заказчиком целей могут использоваться как
обособленно, так и в виде системного комплекса.
Модернизация БСК позволит достичь снижения уровня высших гармоник в сети 0,4 кВ и предотвратит их дальнейшее распространение в сети 6 и 35 кВ. Централизованная реконструкция БСК в ФКУ ограничит интенсивность переходных процессов в энергосистеме и повысит ее устойчивость, так как узкополосные фильтры предотвратят перетоки реактивной мощности высших гармоник в энергосистеме.
Фильтрокомпенсирующее устройство на шинах 0,4 кВ КТПН на базе конденсаторных установок типа УКМ или КРМ представляет собой адаптивный многоступенчатый фильтр высших гармоник, так как БСК 0,4 кВ имеет несколько ступеней и оборудован автоматикой их коммутации в соответствии с потребностью в реактивной мощности у потребителей. Подключаемые к ступеням БСК реакторы реализуют на каждой из них узкополосный фильтр, настроенный соответственно на гармоники, заведомо превышающие допустимые нормы. Следовательно, ФКУ на базе такой установки будет работать автоматически, не требуя введения дополнительного аппаратного вмешательства и значительной реконструкции.
Статья поступила 23.12.2014 г.
Библиографический список
1. ГОСТ 32144-2013 РФ. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах промышленного электроснабжения промпредприя-тий; 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.
3. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для студентов высш. техн. учебн. заведений; 3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
4. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях; 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 252 с.
