Дополнительные потери мощности в электрических сетях при несимметричной нагрузке Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.3

А.В. Дед, В.Ю. Зайцев, *Е.С. Сухов

Омский государственный технический университет, г. Омск *ЗСФ ВНИПИэнергопром, г. Омск

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ

Эффективность использования электрической энергии определяется созданием условий потребления, при которых обеспечивается требуемое качество электрической энергии и минимум потерь.

Актуальность проблемы улучшения качества и уменьшения потерь электрической энергии особенно возрастает в электрических сетях напряжением до 1 кВ, в связи с тем, что в электрических сетях России распространен такой режим работы, как несимметричный. Это обусловлено распространением в трехфазных системах электроснабжения потребителей электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам можно отнести индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, тяговые нагрузки железных дорог, тяговые подстанции троллейбусов и трамваев, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки, а также потребителей коммунально-бытовой сферы, получающим питание по однофазным распределительным сетям.

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности, что приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений.

123

Помимо несимметрии, вызываемой напряжением системы обратной последовательности, может возникать несимметрия от наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности. В результате смещения нейтрали трехфазной системы возникает несимметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах электроприемников появляется несимметричная система напряжений.

Отклонения напряжения перегруженной фазы могут превысить допустимые значения, в то время как отклонения напряжения других фаз будут находиться в нормируемых пределах. Кроме ухудшения режима напряжения при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих потребителей электроэнергии, так и всех элементов сети, снижается надежность работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.

При наличии токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь активной мощности и может быть недопустимо с точки зрения нагрева.

В ГОСТ 13109-97 несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности (К2и)

_____ Ш2(1)

^20 — Ш

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности (Кои)

1^00 =

________ 3^0(1)

®1(1)

100%,

где и2(і) и и0(і) - действующие значения напряжения основной частоты обратной и нулевой последовательности; и1(1) - действующее значение напряжение основной частоты прямой последовательности.

Для обеспечении нормативных требований, значения коэффициентов К2и и Кои должны составлять 2% в течение 95% суток, и только 5% времени суток эти показатели качества могут достигать максимально допустимые значения - до 4%.

Несимметрия токов и напряжений вызывают дополнительные потери мощности в элементах системы электроснабжения, которые определяются следующим образом. Дополнительные потери мощности в трансформаторах:

_____ ^2

2 02

+

ном

2

ном

где ином и 1ном- номинальные напряжение и ток со стороны высшего напряжения трансформатора, и2 и 12 - напряжение и ток обратной последовательности; ДРХ и ДРК - номинальные потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

124

НОМ - 0и

С___учетом того, что 0 = '

зги

, ток обратной последовательности ^НОМ =

_ 02

3 +7н2 2

, где ик и 2к

- напряжение и сопротивление короткого замыкания трансформатора; 2н2 - сопротивление обратной последовательности присоединенной к трансформатору нагрузки.

После преобразований получаем:

02 @2

0И 02

1 - ш

ЩОМ

@НОМ +@н2

т.п.

РЛ 02ГНН

где Ш =

™2ГВН

- коэффициент, характеризующий потерю напряжения обратной последовательности в трансформаторе; и2Тнн и и2ТВН - напряжения обратной последовательности

соответственно на стороне высшего и низшего напряжении, приведенные к стороне высшего.

Дополнительные потери в относительных единицах можно получить из выражения:

д@т.доп

1+

Д^Т.доп —

Д0Т

т.п.

1-й

ии

2ДШ

ди*

1+£2

дтщ_ , ди х

где ДРТ - потери в трансформаторе в симметричном режиме; в- коэффициент загрузки трансформатора.

В линиях высокого напряжения при неучете токов нулевой последовательности І0=(0,1^0,2)І2 дополнительные потери мощности от токов обратной последовательности в относительных единицах равны:

Лэп

доп

да

ЛЭП

доп

Д@ЛЭП

= ш2

где ДРЛЭП - потери в ЛЭП в симметричном режиме; К2; - коэффициент несимметрии тока по обратной последовательности, который может быть определен путем измерении.

В сетях 0,4 кВ с нулевым проводом необходимо учитывать также дополнительные потери от несимметрии по нулевой последовательности. Формула расчета потерь мощности в радиальной сети с учетом несимметричной нагрузи фаз имеет вид: э@ э@ Д@

Д00 = Иш02 ш ш ,

где кш - коэффициент, учитывающий количество фаз схемы на участке сети; ь; - эффективный ток участка сети; гэ - активное сопротивление участка сети; кд; - коэффициент, учитывающий дополнительные потери от неравномерности нагрузки фаз:

ИД0 = И2 1 + 1.5

Ф

- 1.5

Щ

ынт

0ф

где гнт, Гф - сопротивления нейтрального и фазного проводов;

125

2+02+й2

^2 __ з и и

,- коэффициент неравномерности;

0@ +0@+0@ 2

1а, 1в, 1с - измеренные токи фаз.

При увеличении коэффициента неравномерности токов фаз потери мощности увеличиваются.

В результате измерений на соответствие требование ГОСТ 13109-97, проведенных на участках распределительных сети 0,4 кВ, были получены временные диаграммы изменения напряжений, токов, мощностей, а также показатели уровня несимметрии напряжений.

В ходе анализа полученных данных, было выявлено, что при протекании несимметрич-

ных токов нагрузки в системе электроснабжения узлов и агрегатов возникают несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах установки появляется несимметричная система напряжений, которая приводит к дополнительным потерям мощности и отклонению уровня напряжения, что недопустимо по отношению к качеству электрической энергии, поэтому необходимы меры по снижению несимметрии в электрических сетях.

Снижение несимметрии напряжений может быть достигнуто следующими способами:

- выделением потребителей с несимметричной нагрузкой на отдельные трансформаторы;

- в сетях низкого напряжения перераспределением однофазных нагрузок между фазами;

- применение симметрирующих устройств.

Таким образом, на основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Факторы, искажающие качество электроэнергии, оказывают влияние на потери мощности в элементах сети, питающих и соединяющих источники искажений.

2. Помимо потерь в элементах сети, соединенных последовательно с источником искажений, в сетях энергоснабжающей организации и других потребителей, имеющих с источником искажений общую точку присоединения возникают дополнительные потери.

3. Необходимо продолжить работу, направленную на сбор и анализ информации о влиянии несимметричных нагрузок на потери мощности и энергии в элементах питающих их сетей. При этом включая в исследования системообразующие сети, если к ним присоединены несимметричные нагрузки, потери в которых могут быть малы в относительных значениях, но большими в абсолютных величинах.

4. Целесообразно и возможно определять рассматриваемые дополнительные потери с целью анализа и оценки фактической ситуации на основе измерений.

Библиографический список

1. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / - М. : Издательство стандартов, 1998. - 32 с.

2. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии [Текст] / И. И. Карташев [и др.];. - М. : Изд-во МЭИ, 2006. - 319 с.

3. Железко Ю.С. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко, А.В. Артемьев, О.В. Савченко // - М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 280 с.

4. Шидловский А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях [текст] / Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. - Киев: Наукова думка, 1985. -268 с.