CC BY
17
Экспериментальное исследование влияния электроприемников частного жилого фонда сельской местности на уровень искажения синусоидальности напряжения и тока в сети 0,38 кВ
П.В. Терентьев, Д.А. Филатов, М.В. Чесноков, А.А. Кораблев Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород
Аннотация: В жилых зданиях появилось большое число электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками с импульсным режимом работы, что приводит к генерации в электрическую сеть 0,38 кВ высших гармонических составляющих токов, большие величины этих гармоник приводят к ухудшению формы кривой сетевого напряжения. Цель работы - исследование гармоник тока генерируемых электроприемниками жилых зданий, и их влияние на коэффициент несинусоидальности напряжения сети 0,38 кВ. Установлено, что наибольшее негативное влияние на электрическую сеть оказывают ЭП с импульсными блоками питания, такие как ПЭВМ, ноутбуки и нетбуки, а также посудомоечные машины и светодиодные лампы с цоколем E14 и Е27, суммарный коэффициент гармонических составляющих тока у которых составляет 85% < THDI < 205%. В программе Matlab Simulink смоделирована имитационной модели сети 0,38 кВ жилого дома, что позволяет проводить исследования суммарного коэффициента искажений тока KI и напряжения Ku в ВРУ. При установленной мощности нелинейной нагрузки превышающей более чем в два раза линейную нагрузку, коэффициент несинусоидальности напряжения в сети 0,38 кВ может превышать установленные ГОСТ 32144-2013 значения.
Ключевые слова: система электроснабжения, электрическая сеть, качество электрической энергии, гармоники напряжения, гармоники тока, электромагнитная совместимость, электроприемник.
По данным единой межведомственной информационно-статистической системы, бытовое потребление электроэнергии сельским населением с 2013 по 2018 года увеличилось на 27,9% и составило порядка 2% от всего потребления электрической энергии в Российской Федерации [1].
С ростом потребления электрической энергии изменился характер нагрузки. Возросло количество электроприемников (ЭП) с нелинейной вольт-амперной характеристикой [2, 3].
Поэтому цель работы - исследование гармоник тока генерируемых электроприемниками жилых зданий, и их влияние на коэффициент несинусоидальности напряжения сети 0,38 кВ.
Измерения осциллограмм и спектрограмм токов высших гармоник, а также снятие графиков нагрузки электроприемников жилых зданий проводились в соответствии с рекомендациями ГОСТ 30804.4.30-2013 (1ЕС 61000-4-30:2008), ГОСТ 30804.4.7-2013 (1ЕС 61000-4-7:2009) и ГОСТ 30804.3.2-2013 (1ЕС 61000-3-2:2009). В качестве средства измерения использовались сертифицированные анализаторы качества электрической энергии ЛК-5Ь и ЛЯ6 фирмы С1гси1ш, внешний вид которых показан на рис. 1.
а) ЛК-5Ь С1гси1ш
Рис. 1 - Внешний вид анализаторов качества электрической энергии
Измерения проведены для электроприемников различных производителей применяемых в частном жилом фонде сельской местности [4, 5]. Суточные графики нагрузки сняты в ВРУ 0,38 кВ жилых домов расположенных в Кстовском и Богородском районах Нижегородской области приведены на рис. 2 и рис. 3.
Проведенное исследование режимов работы ЭП частного жилого фонда сельской местности показало, что большинство из них работают в повторно-кратковременном или кратковременном режиме, этим объясняются броски тока и мощности в графиках нагрузки данного типа жилых зданий.
1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Р. Вт
■ Фаза А
•Фаза В
Фаза С
1
ооооооооооооооооооооооооооооооооооооо
гг, гг, (Т) СО 1>Г] 1>Г] ГГ) ГП ГП ГП г^ Г^ Г^ С*4) С*4) ГО ГО СО СО С^ ^ ^ ГО СО СО СО СО ^О ^О
Г- Г-^Г^- ^ ^ Г- г-! г-! г^
т— V, ■—I ЧО СО ?—I V'! гг-, л—I I/ ГО —| V, го 1—I V — V, —I I/ ГО т—| I/ , т—I го 1— V, гО 1—I . го »—I
ю ю г- и и а о о н г] г| л1 о о
—I —I —I —I —I ^ч г-1 М г-1 г)
^ ^ тг ^ щ Ш г^ о о
■"О ^ ^ ЧО
Время. ч
Рис. 2 - Суточный график нагрузки жилого дома №1 (Нижегородская обл.,
Богородский р-н)
Р Вт -Фаза А -Фаза В -Фаза С
800
"00
600
500
^оооооооооооооооооооооооооооооооооооооо •г, ооооооооооооооооооооооооооооооооооооо
ПООООООООООООООООООООООООООООООООООООО ОнПМ^^^^ЙЮ^ЖЙаООнПМ^ООнг!
—I—1ННННННННННННПППГ1ПП Время, Ч -1-1-1
Рис. 3 - Суточный график нагрузки жилого дома №2 (Нижегородская обл.,
Кстовский р-н)
Характерной особенностью суточных графиков является большая неравномерность потребления электроэнергии по часам суток и сезонам.
Как отмечено выше в жилых зданиях появилось большое число электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками с
импульсным режимом работы, что приводит к генерации в электрическую сеть 0,38 кВ высших гармонических составляющих токов.
ГОСТ 32144-2013 не ограничивает величину гармоник тока, однако большие величины этих гармоник приводят к ухудшению формы кривой сетевого напряжения [6 - 9].
В рамках данной работы проведено исследование гармоник тока генерируемых ЭП жилых зданий различных производителей. В таблице №1 приведены параметры исследуемых электроприемников.
Таблица №1
Параметры исследованных электроприемников
№ п/п Наименование ЭП Напряжение, В Мощность, Вт cos ф, о.е.
1 Стиральная машина LG 220-240 2100 0,7
2 Газовый котел Bosch 230 150 0,9
3 Телевизор LG 100-240 300 0,92
4 Нетбук Sony 100-240 220 0,5
5 Ноутбук Samsung 100-240 330 0,5
6 ПЭВМ Dell 100-240 600 0,9
7 Принтер Xerox 220-240 1000 0,9
8 Микроволновая печь Samsung 230 1150 0,98
9 Холодильник Siemens 220-240 90 0,98
10 Посудомоечная машина Bosch 220-240 2000 0,98
11 Утюг Tefal 220-240 1740 0,99
12 Вытяжка Elikor 220-230 140 0,6
13 Пылесос Samsung 230 1300 0,99
14 Бойлер Thermex 230 2000 1
15 Электрический теплый пол 220-230 550 1
16 Электропривод ворот DoorHan 230 150 0,85
17 СДЛ Osram 220 9 0,9
Анализ электроприемников частного жилого фонда сельской местности показывает, что фирмы - производители не предоставляют данные о высших
гармониках тока, генерируемых данными ЭП. Это не позволяет проводить расчеты высших гармоник, как тока, так и напряжения при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения 0,38 кВ, питающих жилые здания.
В таблице №2 приведены результаты замеренного суммарного коэффициента гармонических составляющих тока THDI исследуемых электроприемников.
Таблица №2
Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока THDI
исследуемых электроприемников
№ п/п Наименование ЭП THDi, %
1 Стиральная машина LG 33,1
2 Газовый котел Bosch 23,8
3 Телевизор LG 34,8
4 Нетбук Sony 205,0
5 Ноутбук Samsung 194,0
6 ПЭВМ Dell 128,8
7 Принтер Xerox 6,2
8 Микроволновая печь Samsung 26,7
9 Холодильник Siemens 15,8
10 Посудомоечная машина Bosch 85,8
11 Утюг Tefal 6,4
12 Вытяжка Elikor 15,4
13 Пылесос Samsung 21,1
14 Бойлер Thermex 38,2
15 Электрический теплый пол 12,8
16 Электропривод ворот DoorHan 46,0
17 СДЛ Osram 122,1
Из полученных характеристик наиболее негативное влияние на электрическую сеть оказывают ЭП с импульсными блоками питания, такие как ПЭВМ, ноутбуки и нетбуки, а также посудомоечные машины, светодиодные лампы с цоколем E14 и E27.
В соответствии с ГОСТ 32144-2013, значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки в исследуемой
сети, не должны превышать 8% в течение 95 % времени интервала в одну неделю и 12% в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Для исследования влияния высших гармоник тока, генерируемых нелинейными ЭП, на коэффициент несинусоидальности напряжения, разработана имитационная модель узла нагрузки жилого дома в программном продукте МайаЬ БтиНпк [10].
На рис. 4 приведены полученные при моделировании осциллограммы тока и напряжения, при разных соотношениях нелинейной к линейной нагрузки, в ВРУ жилого дома.
Time fs) Time {в)
а) Осциллограмма напряжения и тока при соотношение нелинейной нагрузки
к линейной 50/50
Time Сз> Time (s)
б) Осциллограмма напряжения и тока при соотношение нелинейной нагрузки
к линейной 70/30
"П™ (s) Time (s)
в) Осциллограмма напряжения и тока при соотношение нелинейной нагрузки
к линейной 100/0
Рис. 4 - Осциллограммы тока и напряжения в ВРУ жилого дома, полученные
при моделировании в Matlab Simulink
В таблице №3 приведены суммарные коэффициенты гармонических составляющих напряжения и тока в ВРУ жилого дома, определенные на имитационной модели сети 0,38 кВ.
Таблица №3
Коэффициенты несинусоидальности напряжения и тока от отношения
нелинейной к линейной нагрузке
№ п/п Отношение нелинейных/линейным нагрузках Коэффициенты несинусоидальности напряжения, Ки, % Коэффициенты несинусоидальности тока, К %
1 0/100 0 0
2 10/90 1,2 4,47
3 20/80 2,48 9,86
4 30/70 3,86 16,42
5 40/60 5,35 24,44
6 50/50 6,95 34,28
7 60/40 8,68 46,29
8 70/30 10,56 60,58
9 80/20 12,59 77,32
10 90/10 14,79 95,58
11 100/0 17,18 113,52
Экспериментальные исследования показали, что современные электроприемники частного жилого фонда сельской местности за счет генерации в сеть высших гармонических составляющих токов приводят к искажению синусоидальности кривой напряжения.
Проведено исследование суммарного коэффициента искажений тока К и напряжения Ки в ВРУ жилого дома, на имитационной модели сети 0,38 кВ, разработанной в программном продукте МайаЬ БтиНпк, при различном соотношении линейной и нелинейной нагрузки, что позволяет значительно упростить определение соответствия систем электроснабжения жилых зданий требованиям ГОСТ 32144-2013 на допустимые уровни гармоник напряжения.
Из результатов моделирования можно сделать вывод, что при установленной мощности нелинейной нагрузки превышающей более чем в два раза линейную нагрузку, коэффициент несинусоидальности напряжения в сети 0,38 кВ может превышать установленные ГОСТ 32144-2013 значения.
Литература
1. Единая межведомственная информационно-статистическая система. URL: fedstat.ru/indicator/43277.
2. Филатов Д. А., Терентьев П.В. Качество электроэнергии и электромагнитная совместимость в электроэнергетике сельского хозяйства: учебное пособие: Нижегородская ГСХА, 2017. 116 с.
3. Гибадуллин А. А. Модернизация электроэнергетики // Инженерный вестник Дона, 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/797.
4. Кузьминов А.С. Стандарты и маркировка энергоэффективности как инструмент нормативного регулирования повышения энергоэкономичности бытового оборудования // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: vdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/567.
5. Ивакин Е.К., Белевцов С.П. Малоэтажное строительство: девелопмент и логистика // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/708.
6. Deokar, Sanjay A., Waghmare Laxman M. Analysis of distribution transformer performance un-der non-linear balanced load conditions and its remedial // International journal of technology and advanced engineering. Volume 1, Issue 2, December 2011. pp. 152-161.
7. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Севостьянов А.А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: учебник для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — 224 с.
8. Воздействие гармоник - перегрузки оборудования. URL: ru.electrical-installation.org/ruwiki/Воздействие_гармоник_-_перегрузки_оборудования.
9. Nejdawi I.M., Emanuel A.E., Pileggi D.J., Corridori M.J., Archambeault R.D. Harmonic Trend in the USA: A Preliminary Survey. // IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 14, №4, 1999, pp. 1488-1494.
10. Щербаков В. С., Руппель А. А., Глушец В. А. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде MATLAB И SIMULINK: Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - 160 с.
References
1. Edinaya mezhvedomstvennaya informacionno-statisticheskaya sistema. [A single interdepartmental information and statistical system]. URL: edstat.ru/indicator/43277.
2. Filatov D.A., Terent'ev P.V. Kachestvo elektroenergii i elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroenergetike sel'skogo hozyajstva: uchebnoe posobie [Electricity Quality and Electromagnetic Compatibility in Agricultural Electricity: A Training Manual]: Nizhegorodskaya GSKHA [Nizhny Novgorod State Agricultural Academy], 2017. 116 p.
3. Gibadullin A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/797.
4. Kuz'minov A.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/567.
5. Ivakin E.K., Belevcov S.P. Inzhenernyj vestnik Dona, 2011, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/708.
6. Deokar, Sanjay A., Waghmare Laxman M. International journal of technology and advanced engineering. Volume 1, Issue 2, December 2011. pp. 152-161.
7. Vagin G.YA., Loskutov A.B., Sevost'yanov A.A. Elektromagnitnaya sovmestimost' v elektroenergetike: uchebnik dlya stud. vyssh. ucheb. zavedenij [Electromagnetic compatibility in the electric power industry: a textbook for
students. higher textbook. institutions]. Moscow.: Izdatel'skij centr «Akademiya», 2010. 224 p.
8. Vozdejstvie garmonik - peregruzki oborudovaniya. URL: ru.electrical-installation.org/ruwiki/Vozdejstvie_garmonik_-_peregruzki_oborudovaniya.
9. Nejdawi I.M., Emanuel A.E., Pileggi D.J., Corridori M.J., Archambeault R.D. Archambeault. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 14, №4, 1999, pp. 1488-1494.
10. SHCHerbakov V.S., Ruppel' A. A., Glushec V.A. Osnovy modelirovaniya sistem avtomaticheskogo regulirovaniya i elektrotekhnicheskih sistem v srede MATLAB I SIMULINK: Uchebnoe posobie [Fundamentals of modeling automatic control systems and electrical systems in the environment of MATLAB AND SIMULINK: a Training manual]. Omsk: Izd-vo SibADI, 2003. 160 p.
