Электромагнитная совместимость элементов систем электроснабжения, содержащих устройства компенсации реактивной мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Соколов А.Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна: учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений /

А.Я. Соколов, В.Ф. Журавлев, В.Н. Ду-шин. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1984. — 445 с.

+ + +

УДК 629.4.082.3:621.3.004.12 В.Б. Белый

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИХ УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Ключевые слова: системы сельского электроснабжения, технические средства, резонанс в электрических сетях, электромагнитная совместимость оборудования, устройства компенсации реактивной мощности.

Введение

Нормальное функционирование многих объектов (производственных, коммунальных, бытовых), а также безаварийная работа отдельных электроприемников обеспечивается рядом систем, в том числе системами электроснабжения, управления и связи. Для этих систем особую значимость имеет проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) как способность одних электротехнических средств нормально функционировать в условиях внутренних и внешних электромагнитных воздействий, не создавая при этом недопустимых помех другим электротехническим средствам. Одновременно с этим система электроснабжения (СЭС) должна обеспечивать потребителей электроэнергией, качество которой соответствует требованиям действующих нормативов [1].

Одним из основных показателей качества электрической энергии является качество напряжения в СЭС. На него влияют много факторов, среди которых такое мало изученное явление, применительно к системам сельского электроснабжения, как резонанс токов (т.н. параллельный резонанс). Это опасное явление возникает при наличии в СЭС нелинейных электропотребителей (как бытовых, так и производственных) и одновременном использовании установок компенсации реактивной

мощности, подключенных к шинам низкого напряжения трансформатора.

Причины возникновения резонанса. Чтобы говорить о явлении резонанса предметно, необходимо рассмотреть причины его возникновения. Сделаем это на примере резонансных явлений, связанных с работой силовых трансформаторов и установок компенсации реактивной мощности (УКРМ). В общем представлении это есть не что иное, как хорошо известный из теории электротехники [2] резонансный контур (рис. 1). В этой схеме имеется цепь с двумя параллельными ветвями: одна — с активным сопротивлением и индуктивностью, моделирующая силовой трансформатор, а другая — с емкостью, моделирующая устройство компенсации реактивной мощности.

Цист

с-

О

— I рез ^

Гтр

Рис. 1. Резонансный контур

В такой цепи резонанс наступает тогда, когда суммарное реактивное сопротивление ХЕ = хь - Хс = 0 , или Хь = Хс , т.е.

1

аС

Из этого условия следует, что резонанс может возникнуть при изменении реак-

тивных параметров цепи — индуктивности или емкости. Угловая частота, при которой наступает резонанс, называется резонансной угловой частотой:

1

®0 =•

4ьс'

Таким образом, индуктивность обмоток трансформатора, а также количество включенных конденсаторов УКРМ и определяют резонансную частоту рассматриваемой цепи.

Рассмотрим это более подробно на примере подстанции с трансформатором мощностью 400 кВА. К шинам 0,4 кВ подстанции подключена УКРМ типа КМ2А-0,38 мощностью 156 кВАр (рис. 2). Установка компенсации реактивной мощности имеет 6 ступеней регулирования по 26 кВАр каждая.

Рис. 2. Шины трансформаторной подстанции с УКРМ

Зная исходные данные, такие как емкость конденсаторов (число включенных в работу ступеней УКРМ) и параметры силового трансформатора, можно определить номер резонансной гармоники промышленной частоты, на которой возникает резонанс:

п =

100 ST

^ ик % QУКРМ

где STP — номинальная мощность трансформатора, кВА;

ик % — напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

QУКРМ — суммарная мощность включенных в работу ступеней УКРМ, кВАр.

Применительно к рассматриваемому примеру составлена таблица, в которой рассчитаны номера резонансных гармоник в зависимости от количества работающих ступеней УКРМ.

В результате при работе двух ступеней УКРМ условия резонанса возникают приблизительно на 11-й гармонике промышленной частоты, т.е. на частоте 550 Гц. Таким образом, при наличии в линии не-

линейных нагрузок, имеющих в спектральном составе тока 11-ю гармонику, на участке цепи «Трансформатор — УКРМ» будут возникать опасные резонансные явления.

Таблица

Номера резонансных гармоник в зависимости от количества работающих ступеней УКРМ

Количество ступеней УКРМ Емкость ступеней УКРМ, мкФ Номер резонансной гармоники

1 217,9 18,49

2 435,8 13,07

3 653,7 10,68

4 871,6 9,24

5 1089,51 8,27

6 1307,41 7,55

Последствия резонанса

Ухудшение качества питающего напряжения. Резонанс, возникающий на шинах трансформатора, приводит к резкому увеличению тока и изменению его гармонического состава в резонансном контуре. Кроме того, при резонансе наблюдается ухудшение качества питающего напряжения на шинах низкого напряжения трансформатора. Это ухудшение выражается в искажении синусоидальности кривой напряжения вследствие увеличения коэффициентов п -ных гармонических составляющих. На рисунке 3 представлены осциллограммы и гармонический состав напряжений на шинах НН потребительской подстанции при выключенной (а) и включенной (б) установке компенсации реактивной мощности.

Замеры производились на одной из цеховых подстанций системы электроснабжения завода «Кучук-сульфат». Подстанция питает производственную нагрузку, в составе которой преобладают асинхронные двигатели, часть из которых имеет частотное регулирование скорости вращения. Кроме этого в составе заводской нагрузки имеется такой вид нелинейной нагрузки, как источники бесперебойного питания суммарной мощностью 70 кВА.

Из рисунка 3 следует, что при включенной УКРМ качество напряжения хуже

— значение амплитуды 11-й гармоники увеличилось более чем в 2,5 раза. Коэффициент п -ной гармонической составляющей напряжения для этой гармоники превышает 5,5%, в то время нормально допустимое значение этого показателя составляет 3,5%, а предельно допустимое

— 5,25% [1]. В результате этого на шинах

НН трансформатора и на всех отходящих фидерах также наблюдается плохое качество напряжения. Таким образом, все оборудование, питание которого осуществляется с шин этой подстанции, будет снабжаться недопустимым с точки зрения показателей качества напряжением.

Влияние резонанса на условия работы силовых трансформаторов. При возникновении резонанса токи, протекающие по обмоткам силовых трансформаторов, приводят к принципиальным изменениям условий работы последних. Номинальные условия работы трансформаторов, а также их конструктивное исполнение, как правило, выбираются для токов и напряжений частотой 50 Гц. При этом допустимая несинусоидальность протекающих по обмоткам токов принимается не более 5%. Как уже отмечалось выше, при работе двух ступеней УКРМ наблюдается резонанс токов по 11-й гармонике промышленной частоты на участке цепи «Трансформатор — УКРМ». Это является следствием работы ИБП, подключенного к этой секции шин трансформатора. Известно, что при протекании несинусоидальных токов по обмоткам трансформаторов, за счет явлений поверхностного эффекта и эффекта близости резко возрастают в них тепловые потери, кроме этого возникают потери, связанные с магнитными потоками рассеяния. Все это приводит к значитель-

ному повышению температуры элементов трансформатора даже при токах, величина которых существенно ниже номинальных для трансформатора данного типа и мощности. Для оценки влияния резонанса на условия работы трансформаторов необходимо определить эквивалентную токовую нагрузку (по тепловому режиму) с учетом высших гармоник тока. Коэффициент эквивалентной токовой нагрузки трансформатора kЭТН определяется следующим образом [3]:

к -

ЭТН

40

1I

I

100%,

НОМТР

значение і -той

где Іі — действующее гармоники тока;

і — номер гармоники;

ІНОМТР — номинальный ток обмотки

НН трансформатора.

Проведенные измерения показали, что при резонансе токов эквивалентная токовая нагрузка трансформатора (с учетом гармонического состава тока) в отдельные продолжительные интервалы времени превышает 100%, т.е. трансформатор периодически оказывается перегруженным по тепловому режиму.

V. В

2И.№

СЯ)

-ИЮЛЯ

4<Н)«

■ин)«

и, В

к.м

№£0

121(1

ЕЙ

4И

с/х

Ч,

й.мк

ИМгп і|Жп

ІМш т 11,Мт

ІІЛп Л, ОС™

», ПИ

.. ; ,.а і;Ив ■■ ; ■■■■ ; ■■ ■ ■ 1 *50.««4 [■ '

-"т 1 . Г Г I ’ Р -. ; г

0Я1К

а

с.иж

ийж:

1.ІЇЖ

Г, Нх

б

Рис. 3. Осциллограммы и гармонический состав напряжения: а — при выключенной; б — включенной УКРМ

і -1

2

Резонанс и установки компенсации реактивной мощности. Как это ни парадоксально, но и сами установки компенсации реактивной мощности «страдают» от резонанса. Резонансный ток, протекая по участку цепи «Трансформатор — УКРМ», является несинусоидальным и, так же как и в случае с трансформатором, негативно влияет на конденсаторные батареи, установленные в УКРМ, вызывая их дополнительный нагрев. Емкостное сопротивление конденсаторов с повышением частоты подводимого к ним напряжения уменьшается. Поэтому, если в напряжении присутствуют высшие гармонические составляющие, сопротивление конденсаторов на этих гармониках оказывается значительно ниже, чем на частоте 50 Гц. По причине этого даже небольшое увеличение неси-нусоидальности напряжения может вызывать значительные токи гармоник, протекающих через установку компенсации реактивной мощности. Следствием этого являются преждевременный выход из строя УКРМ, перегрев, вспучивание, а иногда и взрывы конденсаторных батарей.

Выводы

Исходя из вышесказанного можно сделать следующие выводы о влиянии резонанса на условия электромагнитной совместимости оборудования систем электроснабжения. Явление резонанса приводит:

1) к резкому снижению качества питающего напряжения на шинах трансформатора (по гармоническому составу) — к увеличению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентов n -ной гармонической составляющей напряжения по отдельным резонансным гармоникам;

2) к сбоям в работе различного электронного оборудования, а также их преждевременному выходу из строя;

3) к резкому увеличению тока резонансной гармоники через трансформатор, что является причиной его тепловой перегрузки даже при протекании по обмоткам токов с действующими значениями, которые значительно (в 2-3 раза) меньше номинальных;

4) к преждевременному выходу из строя батарей статических конденсаторов установок компенсации реактивной мощности.

Библиографический список

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. Зевеке Г.В. Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов.

— М.: Энергия, 1975. — 752 с.

3. IEEE Std C57.110-1998 IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Carrents, 1998.

+ + +