CC BY
67
заполнения рабочего объема ЭММА ферроэлементами магнитоожиженного слоя реальным процессам механоактивации продуктов различного целевого назначения, в том числе и полуфабрикатов шоколадного производства.
Литература
1. Беззубцева М.М., Волков B.C. К расчету энергоэффективных режимов работы механоактиваторов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2015.-№9-1.-С. 9-13.
2. Волков B.C., Беззубцева М.М., Обухов К.Н., Котов A.B. Энергетическая теория способа формирования диспергирующих нагрузок в электромагнитных механоактиваторах // Фундаментальные исследования. - 2014. - №12-6. - С. 1157-1161 .
3. Беззубцева М.М., Волков B.C., Обухов К.Н, Котов A.B. Прикладная теория электромагнитной механоактивации // Международный журнал экспериментального образования. - 2015. - №2-1. - С. 101-102.
4. Беззубцева М.М., Волков B.C. Механоактиваторы агропромышленного комплекса, анализ, инновации, изобретения // Успехи современного естествознания. - 2014. - №5-1. - С. 182-183.
УДК 631.371:621.316
Доктор техн. наук Ф.Д. КОСОУХОВ (СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук Н.В. ВАСИЛЬЕВ (СПбГАУ, [email protected]) Соискатель Е.С. КУЗНЕЦОВА (СПбГАУ, [email protected])
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ОТ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОЙ НАГРУЗКОЙ
Сельские электрические сети, трансформаторы, фильтросимметрирующие устройства, потери мощности от несимметрии токов, критерий потерь, анализ потерь мощности
В электрических сетях 0,38 кВ с несимметричной и нелинейной нагрузкой возникают потери мощности и электрической энергии от токов прямой последовательности (основные потери), а также потери от токов обратной и нулевой последовательности (потери от токов несимметрии), потери от несинусоидальных токов и потери от реактивных токов.
Потери от несимметричных, несинусоидальных и реактивных токов относятся к дополнительным потерям, снижением которых в сельских сетях необходимо заниматься прежде всего.
До настоящего времени специалисты-электроэнергетики рассматривали в электрических сетях общие потери (основные и дополнительные), не разделяя их на отдельные составляющие. При этом разрабатывались способы снижения общих потерь в сетях, эффективность которых в некоторых случаях была недостаточной.
На кафедре «Электроэнергетика и электрооборудование» СПбГАУ разработан критерий потерь мощности от несимметрии токов, который позволяет разделить основные потери и потери от несимметрии токов в трехфазных трансформаторах и четырехпроводных линиях.
Физически критерий потерь мощности Ке представляет отношение потерь мощности от токов обратной и нулевой последовательности ДРе к потерям от токов прямой последовательности ДРХ трансформатора (линии):
О)
Е ^ у '
где ДР£ = ДР2 + ДР0 = 3/|й2 + З/о/?0; ЬР\ = 3/^, где 11, /2, /о - симметричные составляющие токов прямой, обратной и нулевой последовательности [1];
/?2< Я0 ~~ активные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности трансформатора (линии);
ДР2, Д^о ~~ потери мощности обратной и нулевой последовательности; После преобразования выражения (1) получаем:
КЕ = К^ + Ко1 х ^ , (2)
где К2{, К01 - коэффициенты обратной и нулевой последовательности токов [1]:
V — 12 • V — '
К21 - т , Л о/ - 7 .
'1 и
Формула (2) представляет собой математическое выражение критерия потерь мощности от несимметрии токов, необходимое для расчета и измерения потерь при экспериментальных исследованиях электрических сетей.
Критерий потерь мощности от несимметрии токов позволяет:
выделить из общих потерь мощности, например трансформатора, потери мощности от несимметрии токов;
измерить и рассчитать потери мощности и электрической энергии от несимметрии токов;
сравнить по потерям мощности от несимметрии токов трехфазные силовые трансформаторы с различными схемами соединения обмоток; разработать способы и технические средства для эффективного снижения потерь в сетях 0,38 кВ от несимметрии токов.
Нами проведены экспериментальные исследования потерь мощности на физической модели электрической сети 0,38 кВ в трансформаторах с различными схемами соединения обмоток: У/Ун, У/УНСУ, с номинальной мощностью 25 кВА, а также в
четырехпроводной линии длиной 370м, выполненной изолированным проводом СИП-4. Результаты экспериментальных исследований опубликованы в статьях [2, 3, 4]. А также выполнены исследования на физической модели электрической сети потерь мощности от несимметрии токов в сети с трансформатором У/Ун с фильтросимметрирующим устройством [6]. По результатам экспериментальных исследований потерь мощности в сети 0,38 кВ произведен анализ потерь в трансформаторе и в линии, которые изложены ниже.
Потери могцности от несимметрии токов в трансформаторах и в линии 0,38 к В при различных нагрузках:
- однофазной активной;
- двухфазной активной;
- однофазной активной с трехфазным асинхронным электродвигателем 4,5кВт.
В табл. 1 приведены значения критерия потерь мощности от несимметрии токов К£ для названных трех трансформаторов при различных видах нагрузки для пяти опытов (во всех опытах нагрузка постепенно увеличивается).
Таблица 1. Критерий потерь мощности от несимметрии токов Ке для трансформаторов
Y/YH, Y/YHCYnY/ZH (o.e.)
Нагрузка Схема трансформатора Номер опыта
№1 №2 №3 №4 №5
Однофазная Y/Yн 14,465 14,465 14,465 14,465 14,465
Y/Y„ СУ 5,76 5,76 5,76 5,76 5,76
Y/Zu 1,334 1,334 1,334 1,334 1,334
Двухфазная Y/Ун 3,173 2,943 2,545 2,363 2,234
Y/Y„ СУ 0,568 0,578 0,574 0,574 0,574
Y/Zн 0,342 0,348 0,363 0,372 0,313
Трехфазный АД 4,5 кВт + однофазная Y/YH 0,717 1,564 2,923 3,560 4,066
Y/YUCV 0,108 0,251 0,474 0,602 0,691
Y/Zh 0,067 0,136 0,253 0,362 0,399
При однофазной нагрузке критерий потерь мощности трансформатора КЕ с увеличением нагрузки остается неизменным и равным (табл. 1):
- для трансформатора У/Ун - 14,465;
- для трансформатора У/Ун СУ - 5,76;
- для трансформатора У/2н - 1,334.
Из этих данных видно, что критерий КЕ для трансформатора У/Ук СУ меньше по сравнению с трансформатором У/Ун в в 2,51 раза (14,465/5,76);
для трансформатора У/2н КЕ меньше по сравнению с трансформатором У/Ун в 10,84 раза (14,465/1,334).
Независимость критерия потерь мощности от величины однофазной нагрузки объясняется постоянством коэффициентов обратной и нулевой последовательностей токов, равными 1. Различные значения критерия КЕ для трансформаторов с различными схемами соединения обмоток вызваны тем, что активные сопротивления нулевой последовательности /?0 этих трансформаторов различны:
- для трансформатора У/Ун мощностью 25 кВА й0 = 2,72 Ом;
- для трансформатора У/Ун СУ мощностью 25 кВА й0 = 0,68 Ом;
- для трансформатора У/2^ мощностью 25 кВА й0 = 0,0769 Ом,
т.е. Д0 трансформатора У/Ун больше И0 трансформатора У/Ун СУ в 4 раза, а по сравнению с трансформатором У /2^ - больше в 35,4 раза. Как известно из формулы (2), Ке трансформаторов зависит от отношения
Потери мощности от несимметрии токов в линии характеризуются критерием потерь мощности КЕ для линии 0,38 кВ (табл. 2). При однофазной нагрузке критерий КЕ для линии одинаков при всех трех трансформаторах равный 4,054; от величины однофазной нагрузки не зависит. При двухфазной нагрузке КЕ для линии со всеми трансформаторами примерно одинаков; однако с уменьшением сопротивления нулевой последовательности трансформатора КЕ линии немного увеличивается по сравнению с трансформатором У/Ун:
- для линии с трансформатором У/Ун СУ -в 1,004 - 1,055 раза;
- для линии с трансформатором У/2^ - в 1,052 - 1,098 раза.
Таблица 2. Критерий потерь мощности от несимметрии токов КЕ
для линии 0,38 кВ (o.e.)
Нагрузка Схема трансформатора Номер опыта
№1 №2 №3 №4 №5
Однофазная Y/Yн 4,054 4,054 4,054 4,054 4,054
Y/Yu CY 4,054 4,054 4,054 4,054 4,054
Y/Zн 4,054 4,054 4,054 4,054 4,054
Двухфазная Y/Y4 0,941 0,910 0,861 0,842 0,829
Y/YH CY 0,945 0,956 0,905 0,890 0,875
Y/Zu 0,990 0,968 0,937 0.919 0,910
Трехфазный АД 4,5 кВт + однофазная Y/Yh 0.197 0,429 0,797 0,967 1,105
Y/Y„ CY 0,092 0,448 0,846 1,078 1,236
Y/Zu 0,200 0,434 0,826 1.194 1,325
При двухфазной нагрузке коэффициент КЕ трансформаторов изменяется (табл. 1):
- для трансформатора Y/Ун - от 3,173 до 2,234;
- для трансформатора Y/Ун CY - от 0,568 до 0,574;
- для трансформатора Y/ZH - от 0,342 до 0,313.
Из этих данных видно, что коэффициент КЕ для трансформаторов Y/Ун CY меньше по сравнению с трансформатором Y/Ун в 5,6 - 3,9 раза (по мере увеличения двухфазной нагрузки), а для трансформатора Y/ZH меньше в 9,3 - 6,0 раза.
При нагрузке, состоящей из полностью загруженного трехфазного асинхронного электродвигателя мощностью в 4,5 кВт и постепенно возрастающей однофазной активной нагрузке, критерий потерь мощности от несимметрии токов трансформаторов значительно уменьшены за счет симметрирующего эффекта трехфазного двигателя. Коэффициент КЕ трансформаторов увеличивается по мере возрастания нагрузки (табл. 1):
- для трансформатора Y/Ун - от 0,717 до 4,066;
- для трансформатора Y/Ун СУ - от 0,108 до 0,691;
- для трансформатора Y/ZH - от 0,067 до 0,399.
Соотношения этих критериев по отношению к КЕ трансформатора Y/Yn составляют:
- для трансформатора Y/Ун СУ: 0,15-0,17;
- для трансформатора Y/ZH: 0,09 - 0,098.
В результате сравнения потерь мощности от несимметрии токов в трансформаторах со схемами соединения обмоток Y/YH, Y/YHCУ, Y/ZH установлено, что наименьшими потерями мощности обладает трансформатор со схемой соединения обмоток F/ZH: его критерий потерь мощности от несимметрии токов по сравнению с трансформатором Y/YH меньше:
- при однофазной нагрузке в 11 раз;
- при двухфазной нагрузке в 5 - 9 раз.
На основании проведенного анализа потерь мощности от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ с различными конструкциями трехфазных трансформаторов, исходя из уровня потерь мощности в них, с целью повышения эффективности энергосбережения в сельских сетях предлагается установить следующие области применения трансформаторов:
трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Ун - в сетях 0,38 кВ с производственными (симметричными) нагрузками;
трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/YHCУ - в сетях 0,38 кВ с производственными и коммунально-бытовыми нагрузками;
трансформаторы со схемой соединения обмоток У ¡2н - в сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками.
Такое распределение трансформаторов в сельских сетях 0,38 кВ обеспечит снижение общих потерь электроэнергии.
Потери мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ с фильтросимметрирующим устройством (ФСУ) и трансформатором У/Ун исследовались для двух вариантов. В первом варианте ФСУ подключалось в конце линии (в узле нагрузок), а во втором варианте - в начале линии (на трансформаторной подстанции). На основании сравнения потерь мощности от несимметрии токов устанавливалось наиболее выгодное место установки ФСУ в электрической сети 0,38 кВ.
Сравнение вариантов производится с помощью критерия потерь мощности от несимметрии токов при следующих нагрузках: однофазная, однофазная с трехфазным асинхронным электродвигателем, работающим с полной нагрузкой (табл. 3).
ТаблицаЗ. Критерий потерь мощности от несимметрии токов Ке для трансформатора
У/Ун с ФСУ и без ФСУ(о.е.)
Нагрузка Схема трансформатора Номер опыта
№1 №2 №3 №4 №5
Однофазная У/Ун без ФСУ 14,465 14,465 14,465 14.465 14,465
У/Ун с ФСУ в узле нагрузок 0,317 0,857 1,560 2,226 1,883
У/Ун с ФСУ на шинах НН 0,489 1,135 1,959 2,334 2,443
Однофазная с трехфазным АД 4,5кВт У/Ун без ФСУ 0,717 1,564 2,923 3,56 4,066
У/Ун с ФСУ в узле нагрузок 0,144 0.316 0,602 0,746 0,815
У/Ун с ФСУ на шинах НН 0.152 0,344 0,626 0,758 0,854
Как видно из табл. 3, ФСУ значительно снижает потери мощности от несимметрии токов в трансформаторах за счет снижения коэффициентов обратной и нулевой последовательности токов. При минимальной однофазной нагрузке трансформатора (опыт №1) критерий потерь мощности трансформатора У/Ун с ФСУ в узле нагрузок уменьшается в 45,6 раза, а с ФСУ на шинах низкого напряжения подстанции - в 29,6 раза.
При максимальной нагрузке трансформатора (опыт №5) эти показатели соответственно равны 7,68 и 5,95.
При однофазной нагрузке с трехфазным АД 4,5 кВт отношение критерия потерь с ФСУ в узле нагрузок 4,98 - 4,99, а с ФСУ на шинах НН - 4,72-4,76, т.е. в этом случае потери мощности от несимметрии токов в трансформаторе уменьшаются за счет включения ФСУ примерно в 5 раз независимо от величины нагрузки и места присоединения ФСУ.
Критерий потерь мощности от несимметрии токов в линии существенно различается в рассматриваемых двух вариантах электроснабжения (табл. 4).
Таблица 4. Критерий потерь мощности от несимметрии токов Ке для линии с трансформатором К/Кн с ФСУ и без ФСУ(о.е.)
Нагрузка Схема трансформатора Номер опыта
№1 №2 №3 №4 №5
Однофазная У/Уц без ФСУ 4,054 4,054 4,054 4,054 4,054
У/УЕ с ФСУ в узле нагрузок 0.186 0,476 0,899 1.174 1,121
У/Уя с ФСУ на шинах НН 0,219 0,52 0,949 1,139 1,205
Однофазная с трехфазным АД 4,5кВт У/Уц без ФСУ 0,197 0,429 0,797 0,967 1,105
У/Уя с ФСУ в узле нагрузок 0,081 0,174 0,327 0,41 0,45
У/Уя с ФСУ на шинах НН 0,079 0.168 0,311 0,381 0,433
Как видно из табл. 4, за счет ФСУ существенно снижаются потери мощности от несимметрии токов в линии. При минимальной однофазной нагрузке трансформатора У/Уц (опыт №1) критерий потерь мощности в линии с ФСУ в узле нагрузок уменьшается в 21,8 раза, а с ФСУ на шинах низкого напряжения трансформатора - в 18,51 раза.
При максимальной нагрузке трансформатора (опыт №5) эти показатели имеют следующие значения: 3,62 - 3,36. При однофазной нагрузке с трехфазным АД 4,5 кВт отношения критерия потерь с ФСУ в узле нагрузок составляют 2,43 - 2,45. А с ФСУ на шинах НН: 2,49 - 2,55, т.е. при этой нагрузке потери мощности от несимметрии токов в линии уменьшаются за счет симметрирования ФСУ примерно в 2,5 раза независимо от места подключения ФСУ и величины нагрузки.
Учитывая, что разница в эффекте снижения потерь мощности от несимметрии токов при включении ФСУ в узле нагрузок и на шинах низкого напряжения трансформатора У/Уц небольшая, с точки зрения размещения ФСУ, следует рекомендовать установку ФСУ на трансформаторной подстанции.
Исходя из результатов анализа потерь мощности в электрической сети 0,38 кВ с трансформатором У/Уц с ФСУ, следует отметить следующие достоинства фильтросимметрирующего устройства [6]:
1. Создает высокий симметрирующий эффект в сети 0,38 кВ, в результате которого значительно снижаются потери мощности от несимметрии токов в трехфазном трансформаторе и четырехпроводной линии.
2. Одновременно с симметрированием нагрузки осуществляет компенсацию реактивной мощности в сети, за счет этого также снижаются потери мощности от реактивных токов.
3. Не требует регулировки параметров ФСУ с изменением величины нагрузки и ее cos <ря.
4. Простота конструкции и надежность в работе ФСУ - содержит простые и надежные устройства: конденсаторную батарею из трех конденсаторов, соединенных в звезду и ферромагнитный усилитель.
Литература
1. Зевеке Г.., Ионкин П.А., Нетушин А.В, Страхов С.В. Основы теории цепей. — М.:Энергоатомиздат, 1989. - 528с.
2. Теремецкий М.Ю. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора "звезда - звезда с нулем" с симметрирующим устройством: Дне...канд. техн. наук. - СПб., 2012.-175с.
3. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Филиппов А.О. Снижение потерь от несимметрии токов и повышение качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками // Электротехника. - 2014,- №6,- С.8-12.
4. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Криштопа Н.Ю. Применение трансформатора "звезда -зигзаг с нулем" для снижения потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - №40. - С.244-249.
5. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Кузнецова Е.С. Снижение потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ с помощью фильтросимметрирующего устройства // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - №39. - С.374-380.
6. Пат. 110876 RU. Полезная модель / Ф. Д. Косоухов, А. О. Горбунов, В. А. Романов, М. Ю. Теремецкий. №2011117909; Заявл. 04.05.2011; Зарег. 27.11.2011г.
УДК 621.355.2
Канд. техн. наук В.В. КОЛОСОВСКИЙ
(СПбГАУ, рго1е880г-еНак(й)гатЬ1ег.ги)
ЕМКОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА (ХИТ) И КОНЕЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Емкость, химический источник тока, общее уравнение разряда, конечное напряжение
Площадь, ограниченная разрядной кривой и осью абсцисс, представляет собой емкость, отданную ХИТ. Эта емкость может быть найдена из уравнения
Т0/гк
И
о
Utdt,
которое после интегрирования принимает вид:
<?о = (То/гМг!, (1)
где щ для уравнения группы I выражается формулой:
Кг 1 — Кг
" = 1-ТТ7ГТТ/У <2)
а для уравнения группы II Кс и 1—Кс меняются местами. Величина С/оЛ представляет собой высоту прямоугольника, имеющего основание Т0/гк и площадь, равновеликую Оо (рис. 1).
Произведение С/оЛ равняется среднему напряжению полного разряда; поэтому 7] = ^ср/^о назовем коэффициентом среднего напряжения, который зависит от относительной нагрузки, поскольку Кс, Ра и Ръ зависят от значения р. Предельные значения г|Макс и г|мин получаются при И -» оо и К=0 соответственно (рис. 2).
