CC BY
46
tional Science Conference SPbWosce-2016 «Smart City», 2017, pp. 17-21.
9. Hasanov P., Jaber M.Y., Zanoni S., Zavanella L.E. Closed-loop supply chain system with energy, transportation and waste disposal costs, International Journal of Sustainable Engineering, 2013, T. 6, No 4, pp. 352-358.
10. Izvekov E.A., Astanin V.K., Sazonov S.N. Algoritm rascheta massy otkhodov, obrazuyushhikhsya pri ekspluata-
tsii transportnogo sredstva [The algorithm for calculating the mass of waste generated during operation of the vehicle], Sovremennye nauchno-prakticheskie resheniya v APK: mate-rialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsii, Voronezh, FGBOU VO Voronezhskij GAU, 2017, pp. 92-99. (In Russian)
Сведения об авторе
Извеков Евгений Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и автоматика», ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» (Российская Федерация). Тел.: +7-908-149-33-68; 8(473) 224-39-39 доб. 3320. E-mail: [email protected].
Information about the author Izvekov Evgeniy Aleksandrovich - Candidate of Engineering Sciences, associate professor of the Electrical engineering and automation department, FSBEI HE «Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great» (Russian Federation). Phone: +7-908-149-33-68; 8(473) 224-39-39 доб. 3320. E-mail: [email protected].
УДК 638.382
ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ АВАРИЙНОСТИ И ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
© 2018 г. В.С. Шкрабак, Л.А. Голдобина, П.С. Орлов, В.В. Морозов, Р.В. Шкрабак
В статье приведены результаты исследований по потребителям электрической энергии в экономике страны. Обращено внимание на то, что в связи с особенностями технологических процессов производственных объектов и коммунально-бытовых потребителей электрической энергии невозможно равномерно распределить нагрузку по фазам и обеспечить равномерность графика потребления нагрузки по фазам. Неравномерная нагрузка сети по фазам приводит к искажению фазных и линейных напряжений у потребителей с нарушением симметрии токов в фазных проводах и появлению тока в нейтрали, равного векторной сумме фазных токов. Появляющаяся несимметричность приводит к потере мощности и энергии в два и более раз по сравнению с работой в симметричном режиме. Обращено внимание на тепловые процессы в электрооборудовании в связи с изложенным. Асимметрия более 5 приводит к вибрации из-за появления знакопеременных вращающихся моментов и пульсирующих с двойной частотой сил. Существующие методы устранения негативных явлений в связи с изложенным не в полной мере решают проблему асимметрии, поскольку характер нагрузки социально-бытового сектора однофазный и нелинейный, в промышленно-индустриальном секторе нелинейность нагрузки составляет около 50%. В результате распределительные сети и трансформаторы нагружены асимметрично. В итоге потери электроэнергии в стране достигают 15-20%. Этому способствует оснащение аграрного сектора страны морально устаревшим и изношенным в значительной степени электрооборудованием. Для устранения указанных и других недостатков в рассматриваемой сфере авторами предложено на патентном уровне устройство для повышения пропускной способности распределительных электросетей, надёжности электроснабжения и безопасности однофазных потребителей тока при симметричном распределении однофазной нагрузки по фазам трёхфазной сети, решающее обсуждаемую проблему.
Ключевые слова: сети электроснабжения, нагрузка, несимметричность, потери энергии, проблемы надёжности, электропоражения, устройство противодействия.
The article presents the results of research on electricity consumers in the country's economy. Attention is drawn to the fact that in connection with the peculiarities of technological processes of production facilities and household electric energy consumers, it is impossible to evenly distribute the load across the phases and ensure the uniformity of the load consumption schedule for the phases. Uneven network load in phases leads to distortion of data and line voltages in consumers with a violation of the symmetry of the currents in the phase conductors and the appearance of a current in the neutral equal to the vector sum of the phase currents. The emerging asymmetry leads to a loss of power and energy of two or more times compared to working in a symmetrical mode. Attention is drawn to the thermal processes in the electrical equipment in connection with the foregoing. Asymmetry is more than 5 leads to vibration due to the appearance of alternating rotating moments and pulsating with a double frequency of forces. The existing methods of eliminating negative phenomena in connection with the above do not fully solve the asymmetry problem, since the nature of the load of the social sector is single-phase and non-linear, in the industrial sector, the nonlinearity of the load is about 50%. As a result, distribution networks and transformers are loaded asymmetrically. As a result, energy losses in the country reach 15-20%. This is facilitated by equipping the country's agrarian sector with obsolete and worn-out electrical equipment. In order to eliminate these and other shortcomings in the field under consideration, the authors proposed at
the patent level a device for increasing the capacity of distribution grids, reliability of power supply and safety of single-phase current consumers in the symmetric distribution of single-phase loads in phases of a three-phase network that solves the problem under discussion.
Keywords: electric power supply networks, load, asymmetry, energy losses, reliability problems, electrodamages, coun-termeasures device.
Введение. Потребителями электрической энергии значительного количества электрических сетей в РФ являются мощные однофазные и двухфазные потребители железных дорог, систем электрохимической защиты трубопроводов Газпрома, горнодобывающего и нефтедобывающего комплексов РФ и жилого комплекса коммунального хозяйства, а также маломощные и длинные сети напряжением 6-10 кВ, питающие распределительные сети сельскохозяйственных предприятий напряжением 0,4/0,23 кВ, к которым подключены как трехфазные, так и однофазные (и двухфазные) электроприемники. Кроме этого равномерно распределить однофазные, а также неполнофазные потребители электрической энергии по фазам четырехпро-водной или пятипроводной систем технически невозможно, это же касается и равномерности графика нагрузки по этим же фазам. Осветительная нагрузка предприятий с электронным балластом люминесцентных ламп генерирует высшие гармоники и импульсные нагрузки высокого напряжения (до 2 кВ). В связи с изложенным необходимо отметить: зачастую наблюдается неравномерность загрузки электрических сетей по фазам, приводящая к искажению значений и формы кривых фазных и линейных напряжений на вводах у потребителя, нарушению симметрии токов в фазных проводах и возникновению в нулевом проводе или в нейтрали тока, равного геометрической (векторной) сумме фазных токов.
Цель исследований - изучение проблем, связанных с несимметричным распределением нагрузки по фазам электросети, и обоснование и разработка устройства, устраняющего этот недостаток.
Объект и методы. В качестве объекта исследования рассматриваются электрические сети производственных, коммунально-хозяйственных и социально-бытовых потребителей электрической энергии, характеризующиеся вероятностным характером распределения нагрузки по фазам и времени подключения нагрузки, что приводит электросеть к работе в режиме асимметрии, снижая эффективность и уровень электробезопасности и увеличивая
стоимость электроэнергии. Используемые методы анализа основаны на изучении ситуации в реальных условиях жизнедеятельности объектов агропромышленного комплекса страны с учётом разнообразия потребителей по уровню нагрузки и времени её использования.
Результаты исследований и их обсуждение. Повышение энергоэффективности и сокращение технологических потерь электрической энергии в электрических сетях - одна из основных задач Единой технической политики в электросетевом комплексе (ЭСК) ПАО Россети, основные задачи которого изложены в Положении ОАО «Россети» «О Единой технической политике в электросетевом комплексе» [1].
В 2016 году в Российской Федерации зафиксировано 64 несчастных смертельных случаев, произошедших на энергоустановках, подведомственных Ростехнадзору. Для сравнения можно сказать, что в 2015 году таких случаев было 54, в 2014 - 66, в 2013 - 102, в 2012 - 125. При этом 27 несчастных случаев произошло в электрических сетях, а это 42% всех летальных случаев, 36 человек погибло в электроустановках потребителей - 56% летальных случаев, 1 человек погиб при эксплуатации тепловых установок энергоснабжающих организаций. Наибольшее число несчастных случаев произошло в ходе выполнения работ на воздушных линиях электропередач, которые оставались под напряжением, а также в распределительных устройствах из-за случайного или непреднамеренного прикосновения к токоведущим частям, находящимся под напряжением [2].
Для потребителя, с точки зрения качества потребляемой электрической энергии, основной является проблема падения напряжения ниже допустимых значений, а также перекос фаз и появление высших гармоник в сети под влиянием таких электроприёмников потребителей, как люминесцентные лампы, силовой частотный электропривод, бытовая техника и электроприборы. Следует отметить, что сам потребитель реагирует в первую очередь на отключение электроэнергии, а вот на падение напряжения и скачки напряжения в сети обращает внимание в меньшей степени. При этом он фиксирует эти
проблемы зачастую визуально - пониженное напряжение в сети приводит к снижению работоспособности электроприёмников: лампы освещения тускнеют, вода в чайнике закипает медленнее, компрессоры холодильников могут не запускаться и т.д. [3].
Ток в нулевом проводе, как характерная особенность асимметрии, вызывает падение напряжения AUN и смещение нейтрали, что в случае несимметричной нагрузки приводит к потерям фазного напряжения на участках сети. Зачастую несимметричная нагрузка у групповых потребителей приводит у каждого из них к искажению симметрии напряжений. С увеличением расстояния от потребителя с несимметричной нагрузкой и приближения к источнику неограниченной мощности искажения напряжения уменьшаются. Несимметрия у потребителей характеризует тот факт, что в фазных проводах начинают протекать разные по значению токи, в результате чего ток также появляется и в нулевом проводе, что в итоге сказывается на потерях мощности и энергии в линиях электропередач, которые в два и более раз превышают такие же потери в сетях, работающих в симметричных режимах [4, 5].
В трехфазных сетях симметрично нагруженных люминесцентными лампами (ЛЛ) и дуговыми ртутными люминесцентными лампами (ДРЛ) значение тока в нулевом проводе не равно нулю, как, например, в сетях с лампами накаливания, и достигает значительных величин вследствие возникновения в нулевом проводе высших нечетных гармоник, обусловленных несинусоидальностью кривой питающего тока источников света из-за нелинейности их вольт-амперных характеристик, а кроме этого в момент включения пускорегулирующая аппаратура генерирует импульсные напряжения амплитудой до 2 кВ. Аналитически ток в нулевом проводе определяется вычислением корня квадратного от суммы квадратов токов нечетных гармоник кратных трем:
/0=3-^/¿3+ /з-5+13-7+- . (1)
Основная доля тока в нулевом проводе создается токами третьей и пятой гармоник, которые составляют от 56 до 85% фазного тока. Известно, что любая асимметрия нагрузки влечет за собой увеличение тока нейтрали, а сечение нулевого провода в трехфазных симметрично нагруженных сетях с газоразрядными
лампами выбирают по расчетному току, одинаковому с токами фазных проводов. Токи, определяемые высшими гармониками, возникающие в нулевом проводе, не приводят к росту падения напряжения в фазах трехфазной сети, а лишь являются первопричиной возникновения пульсации напряжения с утроенной частотой сети. В то же время в сетях, где основные потребители - лампы накаливания, при несимметричной нагрузке фаз частичная потеря напряжения в нулевом проводе является для двух фаз положительной, а для третьей фазы - отрицательной и наоборот. Для каждого момента времени для сетей с газоразрядными лампами также известно, что вектор угловой скорости в нулевом проводе вращается в три раза быстрее, чем фазные векторы, и поэтому в течение одного периода три раза будет возникать поочередно в каждой фазе то увеличение, то уменьшение потери напряжения, так как его частичные потери будут то увеличиваться, то уменьшаться [6].
Сократить потери электрической энергии в сетях можно за счет увеличения сечения проводов, применения самонесущих изолированных проводов, путем симметрирования по фазам. Вариант равномерного распределения нагрузки по фазам позволяет уменьшить потери в сети в 6 раз (!) по сравнению с однофазной нагрузкой [7].
Неравномерно распределенная нагрузка отрицательно сказывается и на работе силовых трансформаторов. Отсутствие симметрии вторичных напряжений у последних неблагоприятно отражается, прежде всего, на потребителях электрической энергии: так, питание несимметричным напряжением асинхронных электродвигателей приводит к возникновению симметричных составляющих токов обратной последовательности. При этом магнитный поток становится эллипсным, вследствие чего электрическая машина начинает генерировать обратный вращающий момент, снижающий крутящий момент на валу, и, повышая потребляемый двигателем ток. Это приводит к его перегреву; а у ламп накаливания с повышением напряжения питания резко снижается срок службы, а при снижении напряжения - существенно уменьшается световой поток [7, 8].
Несимметрия напряжений по фазам сильно осложняет работу асинхронных машин.
Трехфазные асинхронные машины конструктивно рассчитаны для работы с проектным коэффициентом обратной последовательности Кги < 2%. В условиях эксплуатации при подключении к сельскохозяйственным и промышленным сетям с двухфазной нагрузкой этот нормативный коэффициент часто не выдерживается. Так, в случае работы двигателя в номинальном режиме и с коэффициентом обратной последовательности Кги = 4% наблюдается снижение срока службы его изоляции в два раза. При несимметрии напряжений значения одно- или двухфазных напряжений в электрических сетях могут превышать свои номинальные значения, сокращая тем самым срок службы изоляции электрооборудования еще больше. Так как место или точка зануления электродвигателя гальванически не соединяется с нулевой точкой источника электрической энергии, то токи нулевой последовательности не протекают по ста-
торным обмоткам, поэтому система протекающих в статорных обмотках токов, при несимметрии питающих напряжений, может быть разложена только на токи прямой и обратной последовательностей. Ток обратной последовательности в роторе имеет частоту почти в 2 раза выше, чем для прямой последовательности симметричных составляющих. У тока прямой последовательности скольжение (я?) равно:
— 5ном
П1~П2 пл
(2)
У тока обратной последовательности скольжение (Бг) равно:
"^2 =
«1- -«2
т\ + п2
(3)
Ч "1
Подставив в формулу (2) значение пг {П2 = П1 -П1 Эмом), получим:
»1 —Щ
п,
п} + п2 п,
д
+ п, • 1-5„
с
2 _ ном
1 "1
Эти явления приводят к перегреву ротора, значение температуры которого на 35-40 °С выше, чем температура статора. Возникающий при этом эффект теплового расширения стержней ротора приводит к повреждению обмотки ротора электрической машины, снижает мощность электродвигателя и порождает периодические колебания потребляемых токов (в асинхронных машинах снижение вращающего момента незначительно только до Кги < 4%). Существенная несимметрия, определяемая значением более 5%, приводит к вибрации электродвигателя из-за появления знакопеременных вращающих моментов и усилий, которые пульсируют с удвоенной частотой. Вместе с этим, работающий под нагрузкой или вхолостую, электродвигатель уменьшает несимметрию питающей сети, так как генерирует фазную ЭДС с меньшим напряжением. Такой уравновешивающий эффект растет с уменьшением сопротивления обмотки [7], что наблюдается у двигателей большой мощности.
Обеспечить симметричную загрузку трехфазных трех-, четырех- и пятипроводных сетей переменного тока напряжением до 1000 В и трехфазных силовых трансформаторов того же уровня напряжения, на вторичной обмотке с равномерной нагрузкой по фазам (при наличии в сетях однофазных потребителей) можно за
(4)
1 "1 счет более равномерного, по потребляемой мощности, подключения нагрузки ко всем фазам сети, тем самым обеспечив симметричное распределение нагрузки. Но этот прием не обеспечивает постоянной, хотя бы примерной, симметрии нагрузки ни в сетях, ни у силовых трансформаторов как из-за имеющейся различной подключаемой мощности однофазных потребителей, так и из-за временного и по фазам несовпадения их графиков нагрузки, что приводит: к снижению пропускной способности сетей и трансформаторов, повышению потерь в сети вследствие протекания тока в нулевом проводе; к снижению надежности электроснабжения из-за перегрузок одной из фаз и ее последующего отключения защитой. Для обеспечения и поддержания значений требуемого напряжения в каждой из фаз cети традиционно используют однофазные и трехфазные стабилизаторы напряжения, как например: феррорезонансные, автотрансформаторные, с вольтодобавочными автотрансформаторами.
На сегодняшний день характер электрической нагрузки социально-бытового сектора может характеризоваться как однофазный и нелинейный, да и до 50% промышленно-индустриального сектора составляет нелинейная нагрузка. Распределительные сети и силовые трансформаторы нагружены асимметрично,
Л"
2
из-за чего в них возникают дополнительные потери электроэнергии. При искажении формы протекающего по сети тока возникают дополнительные потери, обуславливаемые нагревом проводников и обмоток, а также металлоконструкций трансформаторов. При полном (100%) искажении формы тока пропускная способность трансформатора падает на 55%, и при этом возрастают потери в измерительных трансформаторах, приборах контроля и учета, нарушается нормальная работа релейной аппаратуры. По нулевым проводникам протекают токи нулевой последовательности, достигая и превышая значений токов в фазах, что приводит к «отго-ранию» нулевого провода и возгоранию в электропроводках [9].
Общая оценка потерь электроэнергии в РФ достигает 15-20%. В целом по стране это составляет 100-2000 млрд кВт-ч, а это - примерно 20-25 ГВт электрической установленной мощности. Напряжение обратной последовательности нарушают оптимальные и нормальные режимы работы электрооборудования, так как токи обратной последовательности провоцируют дополнительный разогрев обмоток асинхронных электродвигателей, становятся первопричиной обратного вращающего момента, увеличивают скольжение и снижают скорость вращения ротора асинхронных машин. Снижение числа оборотов ротора машины уменьшает крутящий момент на валу машины и ее производительность. Падение числа оборотов ротора - рост скольжения, сопровождается повышенным потреблением реактивной мощности, из-за чего снижается напряжение на зажимах машины. Все описанные негативные явления, прежде всего, сказываются на сокращении срока службы электрических машин. В связи с введением ограничения на несимметрию напряжений определена зависимость допустимого сопротивления питающей линии от мощности однофазной нагрузки. При наличии протяженных сетей несимметрия напряжений может выходить за нормированные значения: при однофазной нагрузке 5 = 100 кВ-А допустимая длина линии, выполненная проводом АС-79/11, составляет не более 39,5 км, а при двухфазной нагрузке - не должна превышать 44,2 км [10].
Суммарные потери в силовых трансформаторах зависят от потерь холостого хода Рхх и короткого замыкания Рю, а коэффициент полез-
ного действия 77 трансформатора определяется выражением
Л
к-Б,.
Р -к-Р
к-Б,,
(5)
Значение КПД зависит от коэффициента нагрузки к=8полн/3Ном, где Эном - номинальная мощность трансформатора, кВ • А; Рхх - потери холостого хода при номинальном напряжении, кВт; Ркз - потери короткого замыкания при номинальной мощности; вполн - полная мощность трансформатора, подводимая к первичной обмотке из внешней цепи, кВ • А. Анализ выражения (5) позволяет увидеть, что г/ трансформатора существенно зависит от его нагрузки, а максимум коэффициента полезного действия 77 достигается при кЛ1ах,,=(Рхх/Ркз)05.
Л,
1-
2 -Р.
махг]
(6)
Максимальный 77 трансформатора с потерями по ГОСТ 27360-87 составляет диапазон значений 98,6-99,3% при нагрузке 37-43%. Отечественные заводы производят трансформаторы со сниженными «энергосберегающими» относительно указанного ГОСТ потерями, у которых максимум 77 достигает значения 98,899,3% при нагрузке 30-37% [1].
Несколько иная ситуация с потерями распределительных трансформаторов в странах Европейского союза, в которых в последние годы планомерно повышаются требования к энергоэффективности трансформаторного оборудования. Разработка в России и адаптация нормативного документа МЭК 60076-20 представляет собой перевод требований Постановления Совета Европы в разряд международного стандарта, имеющего права хождения не только на территории Европейского союза, но и в других странах мира. Дальнейшее повышение энергоэффективности возможно за счет применения трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов. Для трансформаторов типа ТМГА-630/10 максимальный 77=99,6% при нагрузке около 20% (наиболее значимое увеличение 77 имеет место в области малых нагрузок 525%), что характерно для трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов, отличающихся сниженными более чем в 2 раза потерями ХХ [1].
Отсюда напрашивается промежуточный вывод: при загрузке менее 40% применение
трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов позволяет существенно повысить энергоэффективность по сравнению с трансформаторами, характеризующимися «нормальными» потерями по ГОСТ 27360-87, оптимизированными для работы с нагрузкой 4050%, а вот при загрузке свыше 50% нагрузочные потери превалируют в суммарных потерях трансформатора и применение трансформаторов с магнитопроводом из аморфных сплавов не дает столь существенного повышения энергоэффективности [1].
В «Белгородэнерго» 77% распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ функционируют со средней загрузкой не более 20%, а около 23% - с загрузкой менее 10%. В целом по АО «МРСК Центра» около 56% трансформаторов 6-10 кВ работают с загрузкой не более 20%, 24% - с загрузкой 20-50% [11].
Поскольку большая часть установленных трансформаторов характеризуется режимом работы с нагрузкой, соответствующей наибольшему значению 77, достигаемому менее чем в четверти всех случаев эксплуатации, а более чем в половине случаев эксплуатации загрузка не превышает 20%, то для повышения энергоэффективности этой группы целесообразна установка трансформаторов с потерями холостого хода на уровне трансформаторов с магнитопроводом из аморфных сплавов [1].
Также необходимо отметить, что значительно снизить несимметрию нагрузки трансформаторы не могут, так как не предназначены для решения этой задачи.
Общее количество асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве РФ по данным 2003 года равно значению порядка 10 млн единиц. Сегодняшнее состояние этого парка выдвигает ряд технико-экономических и научных проблем, связанных с моральным старением двигателей и физическим износом входящего в систему электропривода электрооборудования, несоответствием условиям эксплуатации, высоким уровнем потерь электроэнергии в сельскохозяйственных сетях, низким уровнем диагностики и качеством ремонта электродвигателей. Следствие всего перечисленного - большие финансовые затраты сельскохозяйственных предприятий на оплату электрической энергии, рост внеплановых ремонтов и частая замена асинхронных машин и т.п. Основными причинами потерь электроэнергии и преждевременного
выхода из строя асинхронных электродвигателей являются несимметричные режимы их работы. Прямые потери электроэнергии сельского хозяйства РФ в связи с несимметричными режимами составляют около 1 млрд кВт ч в год. Кроме этого несимметричные режимы способствуют более частому выходу из строя асинхронных электродвигателей. При допустимом, в соответствии с ГОСТ 13109-97, значении действующего постоянного напряжения симметричных составляющих обратной последовательности в 4%, срок безаварийной эксплуатации электродвигателей сокращается наполовину. Вместе с тем, нередки случаи, когда на сельскохозяйственных предприятиях симметричные составляющие обратной последовательности достигают значений 15-20%. Положение дел в электрохозяйстве на сельских территориях усугубляется тем, что 93% парка асинхронных электродвигателей составляют электродвигатели общего назначения, которые конструктивно не приспособлены и не предназначены для эксплуатации в условиях производства сельскохозяйственной продукции. Средний ущерб от отказа одного такого электродвигателя оценивается в 8,2 тыс. рублей. Принимая во внимание ежегодный выход из строя около 20% от общего парка асинхронных машин, сумму ущерба от несимметричных режимов в масштабе РФ можно оценить цифрой свыше 15 млрд рублей в год. Ухудшает эту картину и тот факт, что по-слеремонтные показатели симметрии обмоток асинхронных машин зачастую ниже новых. Не способствует улучшению положения и тот факт, что парк электродвигателей в сельском хозяйстве на 78% укомплектован морально устаревшими двигателями серий А2, АО2, А4А, а около 93% асинхронных машин не предназначены для эксплуатации в условиях сельского хозяйства. Физическому износу способствуют следующие положения: наличие агрессивной внешней среды (загазованности, резких суточных и сезонных колебаний температуры и влажности воздуха); низкое качество электроэнергии в длинных и маломощных «сельских» сетях; широкое распространение однофазных и нелинейных нагрузок; частое возникновение переходных процессов; низкое качество ремонта и обслуживания электродвигателей; территориальная удаленность ремонтных баз и неукомплектованность их современным диагностическим и испытательным оборудованием. Все сказанное
предопределяет высоким уровень потерь электрической энергии, интенсивный износ и выход из строя электрических машин. В настоящее время износ электрооборудования перерабатывающих предприятий АПК превышает 50%, а животноводческих ферм - 85%. Ежегодно в сельском хозяйстве выходит из строя до 38,5% парка асинхронных машин, а 20% электродвигателей направляется в ремонт [12].
Неудовлетворительное состояние сетей систем сельского электроснабжения создаёт предпосылки возникновения аварийных режимов работы и сокращения срока службы электродвигателей. Наиболее распространенная причина повреждения трехфазных электродвигателей - асимметрия питающего напряжения и обрыв фазы. Для защиты трехфазных электродвигателей от асимметрии питающего напряжения предлагается использовать классический фильтр нулевой последовательности, работающий в релейном режиме и отключающий при необходимости электродвигатель [13].
Для симметричного распределения нагрузки по фазам трехфазной сети в Белоруссии разработано специальное симметрирующее устройство (рисунок 1), представляющее собой дополнительную обмотку, наматываемую поверх имеющихся трех фазных обмоток транс-
А
С
форматора Y/Yh и включаемую в разрыв нулевого провода. Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора при полной однофазной нагрузке и включается таким образом, что создаваемые ею в магнитопроводе трансформатора магнитные потоки Fok нулевой последовательности полностью компенсируют противоположно направленные магнитные потоки нулевой последовательности Fop в рабочих обмотках трансформатора, предотвращая тем самым перекос фазных напряжений [14].
Но в то же время симметрирующее устройство, как и трансформатор с обмотками, включенными по схеме «зигзаг», только уменьшает генерирование магнитных потоков нулевой последовательности и несколько снижает перекос фазных напряжений, не имея возможности устранить асимметрию нагрузки по фазам.
Авторы технического решения предлагают повысить пропускную способность распределительных электрических сетей, а вместе с ней надежность электроснабжения и безопасность однофазных потребителей электрического тока, за счет монтажа устройства для симметричного распределения однофазной нагрузки по всем фазам трехфазной сети.
Рисунок 1 - Симметрирующее устройство
а
В
b
c
Технически предлагаемое решение представляет собой трехфазный разделительный одно- или многообмоточный (во вторичной цепи) трансформатор потребителя, каждая из вторичных обмоток которого имеет независимые от основной обмотки дополнительные витки, предназначенные для компенсации падения напряжения в линии, а каждый из потребителей многообмоточного разделительного трансформатора запитан от своей или от общей (для од-нообмоточного трансформатора) вторичной обмотки, в которой линия каждого потребителя запитана от трех фазных катушек трансформатора, соединенных последовательно, любые
две из которых включены согласованно, а третья - встречно (рисунок 2) [15].
Включение каждой из трех фазных катушек во вторичную обмотку трансформатора осуществлено последовательно, при этом любые две из которых включаются согласованно, а третья - встречно. Именно такое решение позволяет получить однофазное переменное напряжение с равномерно распределенной нагрузкой по фазам трехфазной сети и обеспечить абсолютную симметрию нагрузки в питающей линии и трансформатора подстанции независимо от того, отбирает однофазную нагрузку один или несколько потребителей, или все потреби-
тели одновременно потребляют различную мощность.
Симметричная нагрузка линии и трансформатора подстанции увеличивает пропускную способность электрической сети при пиках нагрузки, исключает перегрузку одной из фаз и
а . . Ь
А
С
предотвращает возникновение тока в нулевом проводе. Все это позволит обеспечить повышение надежности всех защитных мероприятий, так как в принципе защищает сеть от «отгорания» нулевого провода.
с
В
Рисунок 2 - Устройство для симметричного распределения однофазной нагрузки
Наличие у каждой из вторичных обмоток независимых от основных обмоток дополнительных витков позволяет реализовать три ступени регулирования напряжения вверх и, при необходимости, три - вниз, повышая тем самым качество электроснабжения.
Питание каждого из потребителей от своей обмотки многообмоточного трансформатора полностью исключает гальваническую связь однофазного потребителя с другими электропотребителями, повышает качество и безопасность электроснабжения.
Питание потребителя через разделительный трансформатор обеспечивает гальваническую развязку потребителя от внешней мощной сети и повышает безопасность электроснабжения.
Симметричная нагрузка по фазам исключает перекос фаз, появление симметричных составляющих обратной последовательности и появление обратного крутящего момента у асинхронных машин.
Питание каждой однофазной обмотки одновременно от трех фаз позволяет получить одинаковый угол сдвига тока по всем фазам, снизить расходы на приборы учета потребления электрической энергии, повысить точность учета и упростить расчеты за электрическую энергию.
В этом случае появление тока в нулевом проводе свидетельствует либо об аварийной ситуации, либо о наличии у потребителя импульсной нагрузки (тоже «аварийная» ситуация).
Выводы. Поскольку подавляющее большинство электроснабжающего оборудования -аналоговые устройства с большой перегрузоч-
ной способностью, обладающие уникальными эксплуатационными характеристиками, позволяющими автоматически отрабатывать изменения нагрузки, предлагаемые в статье пути повышения надежности электроснабжения не только могут снизить потери в распределительных сетях, но и исключают перекосы фаз, перегрев и «отгорание» нулевого провода, позволяют повысить нагрузки на оборудование электрических сетей, снизить потери в сетях, облегчить учет расходуемой электрической энергии и снизить опасность электротравматизма (прежде всего, однофазных потребителей) из-за наличия гальванической развязки между мощными питающими сетями и маломощным потребителем и, в силу обратимости электрических машин, защищают потребителя от несимметрии напряжений по фазам даже при несимметрии напряжений по фазам питающей сети, исключая аварийность трехфазных асинхронных электрических машин и травматизм. Предлагаемые решения позволяют «отрабатывать» изменения нагрузки трансформаторами - аналоговыми электрическими машинами, без вмешательства сложных управляющих систем, исключая оперативное вмешательство в работу энергосистемы и предотвращая возможность возникновения несчастных случаев.
Литература
1. Дроздов, Н.В. О нормировании потерь и энергоэффективности распределительных трансформаторов / Н.В. Дроздов, В.С. Ларин, А.Е. Филиппов // Энергетик. -2018. - № 3. - С. 13-17.
2. Анализ травматизма на энергоустановках, подконтрольных Ростехнадзору за 2016 год // Безопасность труда в промышленности. - 2017. - № 3. - С. 18-21. (Ма-
териал подготовлен Управлением государственного энергонадзора Ростехнадзора).
3. Шаманов, Д.Г. Качество электроэнергии. Применение бустеров для повышения качества электроэнергии / Д.Г. Шаманов // Сб. докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России. «ПРОГРЕСС-ЭЛЕКТРО». «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», 2016. - С. 34-37.
4. Снижение потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВт при несимметричной нагрузке / Ф.Д. Косо-ухов, В.Ф. Петров, М.Ю. Теремецкий, Н.Ю. Криштопа // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - № 5. - С.14-17.
5. Симметрирование однофазных нагрузок в сельских электрических сетях / Ф.Д. Косоухов, А.О. Филиппов, Н.В. Васильев, Б.Н. Борошнин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2013. - № 2. - С. 9-13.
6. Анчарова, Т.В. Электроснабжение и электрооборудование зданий и сооружений / Т.В. Анчарова, М.А. Рашевская, Е.Д. Стебунова. - М.: Форум, 2014. - 416 с.
7. Попов, Н.М. Электроснабжение. Рабочие режимы сетей 0,38...10 кВ / Н.М. Попов. - Кострома: КГСХА, 2010. - 202 с.
8. Орлов, П.С. Трансформаторы. Ч. II. Трехфазные силовые трансформаторы / П.С. Орлов. - Ярославль: ЯГСХА, 2006. - 75 с.
9. Яковлев, Г.Н. Неотложные меры по снижению потерь электроэнергии у потребителя /Г.Н. Яковлев // Сб. материалов III Ярославского энергетического форума, 4-6 декабря 2012 г., г. Ярославль. - Ярославль, 2012. -С. 208-209.
10. Шагиморданов, Д.Э. Разработка трехфазно-однофазной сети для электроснабжения сельских потребителей / Д.Э. Шагиморданов. - Кострома: ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА, 2014. - 20 с.
11. Яшина, Н.В. Целесообразность применения трансформаторов со сниженным энергопотреблением / Н.В. Яшина // Энергоэксперт. - 2015. - № 2. - С. 4-6.
12. Курилин, С.П. Развитие теории несимметричных режимов и энергетических процессов асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок: автореф. дис. д-ра тех. наук / С.П. Курилин; ГОУ ВПО МЭИ ТУ. - Москва, 2005. - 44 с.
13. Петько, В.Г. Устройство защиты трехфазного электродвигателя от асимметрии питающего напряжения / В.Г. Петько, А.В. Садчиков // Электротехника. - 2003. -№ 10. - С. 5-9.
14. Сердешнов, А. Симметрирующее устройство для трансформаторов - средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ / А. Сердешнов // Новости электротехники. - 2005. - № 3 (81). - С. 1-5.
15. Пат. 2506676 РФ, МПК H02J 3/00. Устройство для симметричного распределения однофазной нагрузки по фазам трехфазной сети / Орлов П.С., Голдобина Л.А., Шкрабак В.С., Казиловка Н.Р., Орлов С.П. Парамонов С.А., Челышев К.А. - № 2012115381/07; заявл. 17.04.2012; опубл. 10.02.2014, Бюл. № 4.
Rreferences
1. Drozdov N.V., Larin V.S., Filippov A.E. O normiro-vanii poter' i energoeffektivnosti raspredelitel'nykh transforma-torov [On regulation of losses and energy efficiency of distribution transformers], Energetik, 2018, No 3, pp.13-17. (In Russian)
2. Analiz travmatizma na energoustanovkakh, pod-kontrol'nyh Rostekhnadzoru za 2016 god [Analysis of injuries at power plants controlled by Rostekhnadzor for 2016], Bezo-pasnost' truda v promyshlennosti, 2017, No 3, pp. 18-21 [Material podgotovlen Upravleniem Gosudarstvennogo ener-gonadzora Rostekhnadzora]. (In Russian)
3. Shamanov D.G. Kachestvo elektroenergii. Prime-nenie busterov dlya povysheniya kachestva elektroenergii [Power quality. Application of boosters to improve the quality of electricity]: sb. dokladov XIX zasedaniya Associacii elek-trosnabzheniya gorodov Rossii. «PROGRESSELEKTRO». «ELEKTROENERGIYA. Peredacha i raspredelenie», 2016, pp. 34-37. (In Russian)
4. Kosouhov F.D., Petrov V.F., Teremeckij M.Yu., Krishtopa N.Yu. Snizhenie poter' elektroenergii v sel'skih setyah 0,38 kVt pri nesimmetrichnoj nagruzke [Reduction of electricity losses in rural networks 0.38 kW at asymmetric load], Tekhnika v sel'skom hozyajstve, 2013, No 5, pp. 1417. (In Russian)
5. Kosouhov F.D., Filippov A.O., Vasil'ev N.V., Borosh-nin B.N. Simmetrirovanie odnofaznyh nagruzok v sel'skikh elektricheskikh setyakh [Symmetry of single-phase loads in rural electric networks], Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'sko-go khozyajstva, 2013, No 2, pp. 9-13. (In Russian)
6. Ancharova T.V., Rashevskaya M.A., Stebuno-va E.D. Elektrosnabzhenie i elektrooborudovanie zdanij i sooruzhenij [Power supply and electrical equipment of buildings and structures], M., Forum, 2014, 416 p. (In Russian)
7. Popov N.M. Elektrosnabzhenie. Rabochie rezhimy setej 0,38...10 kV [Power supply. The working modes of the networks of 0,38.10 kV], Kostroma, KGSKHA, 2010, 202 p.
(In Russian)
8. Orlov P.S. Transformatory [Transformers] Ch. II. Trekhfaznye silovye transformatory, Yaroslavl', YAGSKHA, 2006, 75 p. (In Russian)
9. Yakovlev G.N. Neotlozhnye mery po snizheniyu poter' elektroenergii u potrebitelya [Urgent measures to reduce energy losses at the consumer]: sb. materialov III Yaroslavs-kogo energeticheskogo foruma, 4-6 dekabrya 2012 g., Yaroslavl', pp. 208-209. (In Russian)
10. Shagimordanov D.Eh. Razrabotka trekhfazno-odnofaznoj seti dlya elektrosnabzheniya sel'skih potrebitelej [Development of three-phase-single-phase network for rural power supply], Kostroma, FGBOU VPO Kostromskaya GSKHA, 2014, 20 p. (In Russian)
11. Yashina N.V. Celesoobraznost' primeneniya transformatorov so snizhennym energopotrebleniem [The feasibility of using transformers with reduced energy consumption], Energoekspert, 2015, No 2, pp. 4-6. (In Russian)
12. Kurilin S.P. Razvitie teorii nesimmetrichnyh re-zhimov i energeticheskikh processov asinkhronnykh dvigate-lej sel'skokhozyajstvennykh elektroustanovok: avtoref. kand. tech. nauk [Development of the theory of asymmetric modes and energy processes of asynchronous motors of agricultural electrical installations], Moscow, GOU VPO MEHI TU, 2005, 44 p. (In Russian)
13. Pet'ko V.G., Sadchikov A.V. Ustrojstvo zashchity trekhfaznogo elektrodvigatelya ot asimmetrii pitayushchego napryazheniya [Three-phase motor protection device against supply voltage asymmetry], Elektrotekhnika, 2003, No 10, pp. 5-9. (In Russian)
14. Serdeshnov A. Simmetriruyushchee ustrojstvo dlya transformatorov - sredstvo stabilizacii napryazheniya i
snizheniya poter' v setyakh 0,4 kV [Balance-to-unbalance converter for transformers - the instrument of voltage stabilization and loss reduction in networks of 0.4 kV], Novosti elek-trotekhniki, 2005, No 3 (81), pp. 1-5. (In Russian)
15. Orlov P.S., Goldobina L.A., Shkrabak V.S., Kazi-lovka N.R., Orlov S.P., Paramonov S.A., Chelyshev K.A. Us-
trojstvo dlya simmetrichnogo raspredeleniya odnofaznoj na-gruzki po fazam trekhfaznoj seti [Device for symmetrical distribution of single-phase load in phases of three-phase network], pat. 2506676 RF, MPK H02J 3/00, No 2012115381/07, zajavl. 17.04.2012, opubl. 10.02.2014, Byul. No 4. (In Russian)
Сведения об авторах
Шкрабак Владимир Степанович - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (г. Пушкин, Российская Федерация). Тел.: +7-921-345-21-09. E-mail: [email protected].
Голдобина Любовь Александровна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство горных предприятий и подземных сооружений», Санкт-Петербургский национальный университет «Горный» (Российская Федерация). Тел.: 8 (812)-328-86-25. E-mail: [email protected].
Орлов Павел Сергеевич - доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрификация», ФГБОУ ВО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия» (Российская Федерация). Тел.: +7-915-977-46-97.
Морозов Вадим Владимирович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Электрификация», ФГБОУ ВО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия» (Российская Федерация). E-mail: [email protected].
Шкрабак Роман Владимирович - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора учебно-практического центра агротехнологий (на правах института), ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (г. Пушкин, Российская Федерация). Тел.: +7-921-951-17-02. E-mail: [email protected].
Information about authors
Shkrabak Vladimir Stepanovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Safety of technological processes and productions department, FSBEI HE «St. Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russian Federation). Phone: +7-921-345-21-09. E-mail: [email protected]
Goldobina Lyubov Aleksandrovna - Doctor of Technical Sciences, professor of the Construction of mining enterprises and underground structures department, St. Petersburg National University «Gorny» (Russian Federation). Phone: 8 (812) 328-86-25. E-mail: [email protected]
Orlov Pavel Sergeevich - Doctor of Technical Sciences, associate professor, head of the Electrification department, FSBEI HE «Yaroslavl State Agricultural Academy» (Russian Federation). Phone: +7-915-977-46-77.
Morozov Vadim Vladimirovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, the senior lecturer of Electrification faculty, FSBEI HE «Yaroslavl State Agricultural Academy» (Russian Federation). E-mail: [email protected].
Shkrabak Roman Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, deputy director of the Training Center for Agrotechnology (as an institute), FSBEI HE «St. Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russian Federation). Phone: +7-921-951-17-02. E-mail: [email protected].
