Исследование несимметричных режимов работы внутренних электрических сетей индивидуальных жилых домов в сельской местности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

Научная статья УДК 621.3.11

DOI: 10.24412/2227-9407-2022-6-44-58

Исследование несимметричных режимов работы внутренних электрических сетей индивидуальных жилых домов в сельской местности

Игорь Владимирович Наумов1'2, Андрей Владимирович Бастрон3^

1 Иркутский национальный исследовательский технический университет, Иркутск, Россия

2 Иркутский государственный аграрный университет им. А. А. Ежевского, п. Молодежный, Иркутский район, Иркутская область, Россия

3 Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия 12professornaumov@list.ru , https://orcid.org/0000-0003-4767-0127

3 abastron@yandex.ru^, https://orcid.org/0000-0003-4284-452X

Введение. Сельские электрические распределительные сети напряжением 0,38 кВ являются наиболее проблемными с точки зрения как качества электрической энергии, так и уровня надежности электроснабжения. Это обусловлено в первую очередь тем, что узлы отбора мощности, располагаемые вдоль линии электропередачи (ЛЭП) 0,38 кВ, подпитываются несимметричными потоками, создаваемыми индивидуальными жилыми домами (ИЖД). Цель статьи определена как исследование режимов электропотребления внутренних электрических сетей ИЖД. На основании анализа литературных источников и собственных научных исследований установлено, что режимы работы сельских сетей объективно являются несимметричными вследствие несимметричного электропотребления индивидуальными потребителями, подключенными к распределительной электрической сети 0,38 кВ.

Материалы и методы. В качестве методов и моделей использованы разработанные методы расчета несимметричных режимов, на основании которых составлена Программа расчета исследуемых показателей качества и дополнительных потерь мощности. Кроме того, использованы методы численного анализа, а также технологии графического редактора MATLAB для визуализации и анализа полученных результатов. В качестве объекта исследования принят ИЖД, на вводе которого произведено исследование параметров электрической энергии в установленном промежутке времени. Разработанная Программа использовалась для расчета показателей качества и дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметричным электропотреблением. Произведен численный анализ полученных результатов расчета.

Результаты исследований и их обсуждение позволили установить, что уровень несимметричного электропотребления во внутренней электрической сети ИЖД достаточно высок, что приводит к значительному ухудшению показателей качества и дополнительных потерь электроэнергии. Установлено, что наиболее эффективным средством нормализации режима электропотребления является использование специальных технических средств, подключение которых позволяет в значительной степени улучшить показатели качества и снизить потери электрической энергии, обусловленные несимметрией фазных токов.

Заключение. Предлагаемая модель симметрирующего устройства (СУ) может использоваться в качестве ресурсосберегающего технического средства, снижающего риски перегруза сельских распределительных сетей 0,38 кВ, создающего безопасную электрифицированную систему электропотребления сельским населением. Материал статьи может быть интересен оперативному персоналу, обслуживающему сельские распределительные электрические сети, а также научным работникам, занимающимся исследованиями в области исследования и разработки средств и методов повышения надежности и экономичности работы электрооборудования в сельскохозяйственном производстве.

Аннотация

© Наумов И. В., Бастрон А. В., 2022

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

Ключевые слова: дополнительные потери, надежность электроснабжения, несимметрия токов, симметрирующее устройство, экономичность работы оборудования

Для цитирования: Наумов И. В., Бастрон А. В. Исследование несимметричных режимов работы внутренних электрических сетей индивидуальных жилых домов в сельской местности // Вестник НГИЭИ. 2022. № 6 (133). С. 44-58. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-6-44-58

Unbalancing Modes Investigation of the Operation Internal Individual Residential Buildings Electrical Networks in Rural Areas

Igor V. Naumov1'2, Andrey V. Bastron3^

11rkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

2 Irkutsk State Agrarian University named after A. A. Ezhevsky, Molodezhny village, Irkutsk district, Irkutsk region, Russia

3 Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk, Russia

12professornaumov@list.ru https://orcid.org/0000-0003-4767-0127 3 abastron@yandex.ru^ https://orcid.org/0000-0003-4284-452X

Abstract

Introduction. Rural electrical distribution 0,38 kV networks are the most problematic in terms, of both the power quality and the electricity supply reliability level. This is due, first of all, to the fact that the lode nodes located along the 0,38 kV transmission line (PTL) are fueled by unbalanced flows created by individual residential buildings (IRB). The article purpose is defined as the study of the internal electrical networks (IEN) electricity consumption modes IRB. Based on the literary sources analysis and own scientific research, it has been established that the operating modes of rural networks are objectively unbalanced, due to asymmetrical electricity consumption by individual consumers connected to the 0,38 kV distribution electric network.

As methods and models, the developed methods for calculating unbalancing modes were used, on the basis of which the Program for calculating the studied quality indicators and additional power losses was compiled. In addition, methods of numerical analysis, as well as the MATLAB graphic editor technologies were used to visualize and analyze the results obtained. As a research object, an IRB was adopted, at the input of which the electrical energy parameters study in a set period of time was made. The developed Program was used to calculate quality indicators and additional power losses due to unbalanced electricity consumption. A numerical analysis of the calculated results was carried out.

The results of the research and their discussion made it possible to establish that the unbalanced consumption level in the IRB IEN is quite high, which leads to a significant deterioration in quality indicators and additional electricity losses. It has been established that the most normalizing effective means the mode of electricity consumption is the use of special technical means, the connection of which allows to significantly improve the quality indicators and reduce the electrical energy loss caused by the phase currents unbalanced.

Conclusion. The proposed a balancing device (BD) model can be used as a resource-saving technical means that reduces the overload risks of rural 0,38 kV distribution networks, creating a safe electrified electricity consumption system by the rural population. The material of the article may be interested to operational personnel serving rural distribution electric networks, as well as researchers engaged in research and development of means and methods to improve the electrical equipment reliability and efficiency in agricultural production.

Keywords: reliability of power supply, efficiency of equipment operation, asymmetry of currents, additional losses, balancing device

For citation: Naumov I. V., Bastron A. V. Unbalancing modes investigation of the operation internal individual residential buildings electrical networks in rural areas // Bulletin NGIEI. 2022. № 6 (133). P. 44-58. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2022-6-44-58

ХЖХЖХХ ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX

Введение

Сельские электрические распределительные сети напряжением 0,38 кВ являются наиболее проблемными с точки зрения как качества электрической энергии, так и уровня надежности электроснабжения. Это обусловлено в первую очередь тем, что узлы отбора мощности, располагаемые вдоль линии электропередачи (ЛЭП) 0,38 кВ, подпитыва-ются несимметричными потоками, создаваемыми индивидуальными жилыми домами (ИЖД). Безусловно, существует и ряд других причин, приводящих к достаточно высокому уровню несимметрии токов и напряжений в сельских распределительных электрических сетях. К ним можно отнести и аварийные режимы, возникающие вследствие обрыва одной или двух фаз питающей ЛЭП, приводящие к нарушению симметрии электропотребления, а также реально имеющие место неполнофазные ответвления от основной трехфазной ЛЭП. Подобные вопросы неоднократно рассматривались в публикациях [1; 2; 3; 4]. Вместе с этим основной причиной создания потоков, вызывающих нарушение симметрии напряжения электропитания, являются именно индивидуальные домовладения, каждое из которых, в силу неравномерности электропотребления различными по мощности электроприемниками (ЭП), создает свой, индивидуальный несимметричный поток, вливающийся в общую структуру трехфазной электрической сети 0,38 кВ. Интенсивность таких потоков зависит от индивидуальной структуры электропотребления отдельными домовладениями, разными по площади помещений, и суммарной установленной мощности однофазных ЭП, подключаемых к трехфазной электрической сети. Вследствие этого возникает необходимость рассмотрения внутреннего электропотребления в ИЖД с целью разработки мероприятий по минимизации создаваемых ими несимметричных потоков, снижающих качество электрической энергии во всей сельской электрической сети, питающей группу таких ИЖД. Особенно это актуально в связи с тем, что заключение договоров на получение электрической энергии (ЭЭ) частными домовладениями предусматривает ответственность потребителя за нарушение качества ЭЭ, что влечет за собой надбавку к тарифам за используемую ЭЭ.

Неоднократно осуществляемые исследования несимметричных режимов работы в сельских распределительных электрических сетях низкого напряжения [5; 6; 7; 8; 9; 10; 11] убедительно доказали, что несимметричные потоки в значительной мере ухудшают качество, вызывают высокие до-

полнительные потери электрической энергии и, кроме того, служат достаточно серьезной причиной возникновения пожаров в сельской местности [12; 13]. В этой связи возникает необходимость разработки методологических основ создания надежного и экономичного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, подключенных к сетям 0,38 кВ, за счет разработки ресурсосберегающих технических средств, внедрение которых снижает энергоемкость производственных процессов и улучшает быт сельского населения. Разработка и реализация таких технических средств (ТС) и технологий может быть осуществлена посредством исследования несимметричного электропотребления во внутренних электрических сетях отдельных индивидуальных домовладений в сельской местности, создающих дополнительную токовую нагрузку на сельские электрические сети 0,38 кВ.

Целью статьи является исследование режимов электропотребления во внутренней трехфазной электрической сети ИЖД и разработка ТС, снижающих энергоемкость процессов электропотребления ИЖД. Данное исследование основывается на рассмотрении ряда следующих задач:

- осуществление измерений параметров электрической энергии во внутренней ЭС ИЖД;

- производство расчетов несимметричных режимов на основе разработанных методов и инструментов достижения экономичного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- анализ полученных результатов и разработка рекомендаций по повышению качества и снижению потерь ЭЭ, обусловленных несимметричным электропотреблением.

Материалы, методы и инструменты исследования

Несимметричное электропотребление во внутренней электрической сети ИЖД формируется за счет несимметричных потоков, образуемых в результате нескольких факторов. Первое - это неравномерный характер распределения однофазных ЭП во внутридомовой электрической сети (ВЭС). При этом, если мощность большинства современных электробытовых приемников не столь значительна и они подключены к розеточным и осветительным группам ВЭС с нарушением симметрии их распределения в процессе монтажа ВЭС, то несимметричные потоки, создаваемые ими, не вносят существенного дисбаланса в объеме общего электропотребления. Но если нарушается равномерность распределения розеточных групп по фазам, к которым

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

подключаются мощные электроприемники (средства электрообогрева, однофазные водонагрева-тельные установки, стиральные и посудомоечные машины, электроплиты и электропечи и др.), то несимметрия токов, создаваемая такими ЭП, создает достаточно существенный вклад в общий несимметричный поток, генерируемый таким ИЖД в электрическую сеть 0,38 кВ общего назначения, осуществляющую электроснабжение групп ИЖД от шин источника питания 10/0,4 кВ. Вторым основным фактором, вносящим существенный вклад в общую картину создаваемых несимметричных потоков, является случайный характер коммутаций большого количества ЭП, особенно явно проявляющийся в вечернее время суток и в выходные дни.

В соответствии со Стандартом1 показателями, характеризующими нормы качества ЭЭ, обусловленные несимметричным электропотреблением, являются коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности: К2и и К0и. Их значения устанавливаются в определенных пределах, не превышающих в 95 % времени интервала измерения в неделю минимальных значений, равных соответственно ±2 %. При этом по результатам многочисленных исследований [14] значение показателя К2и не оказывает столь существенного влияния на уровень несимметрии токов во ВЭС. Его влияние на работу многочисленных электродвигателей проявляется в основном в электрических сетях с производственной нагрузкой и тяговых ЭС. Вследствие этого мы не будем рассматривать изменение этого показателя в рамках настоящей статьи. Но кроме указанных показателей, характеризующих потоки несимметрии, может служить и еще один: установившееся отклонение напряжения - 5и, значение которого в точке передачи ЭЭ (на шинах 0,4 кВ силового трансформатора - СТ) не должно превышать ±10 %, а в точках подключения ЭП к общей ЭС (то есть именно там, где и подключаются ЭП ВЭС) не должны превышать ±5 в 95 % временного интервала измерения этого показателя в одну неделю. Кроме показателей, характеризующих степень несимметрии напряжений, большое значение имеет еще один критерий оценки влияния несимметричных режимов (НР) на режимы электропотребления. Таким критерием является коэффициент увеличения потерь мощности (КР), представляющий собой отношение потерь мощности в несимметричном режиме работы к соответствующим потерям, обусловленным протеканием только токами прямой последовательности (условно симметричный ре-

жим). Значительное увеличение этого показателя может быть связано не только с существенным увеличением электропотребления во ВЭС ИЖД, но также и с реальной угрозой возникновения пожароопасных ситуаций [3; 12; 13].

Расчет указанных трех критериев оценки НР производится по следующим выражениям:

уЗ- ип и —иппт

Кои = —-^ ■ 100 %; 8и = пот■ ■ 100 %;

У пот. У пот.

КР = 1+К&+К&-(г1 + З-г„), (1) где - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности; 5 и - установившееся отклонение напряжения; и0 - симметричная составляющая напряжения нулевой последовательности; и и и пот. - действительное (фактическое) и номинальное напряжения электрической сети соответственно; К2( = —, К2( = — - коэффициенты несимметрии токов по обратной и нулевой последовательностям соответственно; гг 1 г^ - активные сопротивления фазного (прямой последовательности) и нулевого проводников соответственно.

Для расчета указанных показателей использованы методы их определения, представленные в [5; 13; 15; 16].

Многолетними исследованиями, произведенными в сельских электрических сетях [12; 17; 18; 19; 20; 21], установлено, что наиболее эффективным средством симметрирования НР является использование специализированных симметрирующих устройств (СУ), обладающих минимальным сопротивлением токам нулевой последовательности, что позволяет создавать так называемые «колебательные контуры», в которых токи нулевой последовательности «замыкаются» на участке между местом подключения СУ и несимметричной нагрузкой. При этом наиболее перспективным следует считать использование СУ с регулируемыми параметрами, позволяющими изменять мощность СУ в зависимости от изменяющегося уровня несимметричной нагрузки [12]. При этом параметры СУ могут быть определены по выражениям, полученным на основании анализа результатов исследований [2]:

1

Увв 1 = УцВ 2 = (2-^)7.0714'

Ъоо = 2 ■ ), (2)

где и1: и0, 11, 10 - симметричные составляющие напряжений и токов прямой и нулевой последовательностей.

ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE

YBDl = 1. ((2 *U] Il).*7.0714); YBD2 = YBD1: YBDO = 2.*(3.*Ю. Щ); U_1 =(UfJ);

Uel = (Y1.*C_1). iYl+Ypl): YP1 = "YED1+Ysl; YP2 = YBD2+Ys2; YseI = Y2+YP1 : Yae2 = Y2+YP2: YaeO = YBDO+Yil;

YH = 3 .*'Ya. *Yb. *Yc+-YM. *lTeB2+YeeO;H-YeeO YeE2. *YEO:

YF = 3.*YaE2.*Yee(M-YD0+-YEO.*(YEel+Yefi05;

YM = YH4Yeel.*YF;

YK = YeeG. * YE 1 - YD 2 :

YL = YE2_* Ybù-YD] :

YN =YM-YEL

YQ = Yeel. *YH+-YN.*YP 1 :

YR = YQfY3t.*YN:

YT =Y1-YK-

YU = YU-YxO:

K2IL = Y2. 'YK. * Yas 1. YQ:

1.IK2IL = вчг1((гва](КЖВ.ЛгКдтщ(КЖ,)).л23;

KOIL =YO.*YL.*Yeel. YQ:

ШШ1 Kp-l KZllI MK2ul KDul MKCal 2 ) ) ; DrJl±_ □Ulf K2USÎ MK2UK KDUX MKCUX

in

IL2 111 ШЫ Ш12 ЖМ PLIQE ■410) WLIqs -2. SLIQS

j = ïçrt ( {real \KOIIi) ) . ' 2+ (inag (КЗIL) J . -2) = 14(MK2IL) ."2+Ke. (MKQIL) .-2; = YK. J-Yeel-i-el./Yir

. = gqrt ( (real(K2ul) ) _ ~ 2 4 ( imag (K2ul)> -"2) = YL. *Yeel. '-el./YM;

(real (K3ul) ) . "2- (imag (KC-ul) ) . -

ê = ( (Uf_f-3ao) _/3soj .^mkeui.^ioq,-= ( (Uf - 22G) _/22Q: . *MKOul.-lDC-," = YK. J"feeL. '-YT./ïHf

^ iqrt ( <real(K2lJX) ) . "2+ (linag (K2UX : ) ."2) - YL.*"feeL. * YJI . ^ YU. / (YHO.*YE) ; = (aqi-t( (real (КЭЦХ) J . "2- (imag (KCUKJ ) 13C ; jUel.'-YQ) ,/YM; :Uel.*Yeel.*"fl. -/YM; iDel.'-Yeel. ^YÛ.'-Yb) _/YM; = sqrt : (real(ILl) } .-24 (imag (IL1) } ."2) f = sqrt : (real (IL2) } .-24 (imag (IL2) } -~2) f = =qrt: (real(ILO) } _ "24 (imag (ILO) i ;

1 = 1.*(3.*:rl.* : (il: .-24(12).-2:+2.

2 . *rO> ) . / : (Ep-Kpl) . '-lODCi ; 1 = l.i(3.*(K.*(HIl).-24-(I2i."2)+2.*(IG) 0) ) ./ i iKp-Kplj .-40001 ; 1 = gqxt. : (FLlQElj . ~24 :QLloalj . "2 : ;

Рис. 1. Фрагмент Программы «ModulHouse», реализующий определение параметров СУ

и расчет критериев оценки влияния несимметрии токов и напряжений во ВЭС ИЖД Fig. 1. The Program «ModulHouse» fragment, which implements the BD parameters definition and assessing criteria calculation the unbalanced effect of the currents and voltages on the intra-house electrical network (IHEN) of an individual residential building (IRB) Источник: разработано авторами на основании исследований

В качестве инструмента расчета показателей несимметрии токов и напряжений, а также представленных критериев оценки влияния несимметричных режимов (1) использовалась Программа «ModulHouse», разработанная проф. Наумовым И. В., реализация которой осуществляется в среде МЛТЬЛВ. Фрагмент алгоритма этой программы представлен на рис. 1.

Характеристика объекта исследования Производство исследований невозможно осуществлять без экспериментальных данных. Это могут быть данные, полученные в результате моделирования ситуации, либо данные реальных измерений, произведенных в действующих электрических сетях. В качестве объекта исследования нами выбран ИЖД, расположенный в пос. Молодежный Иркутского района Иркутской области, принадлежащий автору статьи. Площадь ИЖД составляет 174 м2, одноэтажный, в нем проживает семья из 6 человек. Установленная мощность ЭП -25 кВт. Наиболее крупными из них являются: электрическая печь, стиральная машина, два элементных водонагревателя, пять электронагревателей (работающие в период производства измерений), две электрические печи, две посудомоечные машины, прочие ЭП. Дом находится в эксплуатации 10 лет.

В период с 7:00 p.m. 02.12.2021 по 6:50 p.m. 09.12.2021 в соответствии со Стандартом3 были произведены измерения параметров электрической энергии на шинах вводно-распределительного устройства (ВРУ) дома. В качестве средства измерения использовался сертифицированный прибор Ресурс-ОТ2М (заводской № 2349, поверка от 11.10.2021. Очередной срок поверки - 10.10.2023 г.) (рисунок 2). Прибор фиксирует изменение исследуемого показателя, как усредненное мгновенное значение в десятиминутном интервале измерения, сертифицирован в РФ.

В качестве исходных данных, вводимых в Программу «ModulHouse», использовалась следующая информация. В первую очередь это данные измерений (записанные на жесткий диск Прибора): фазные токи: IA, IB, IC; фазные и междуфазные напряжения: UA, UB, UC, UAB, UBC, UCA; симметричные составляющие токов и напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно: I1, I2, I0, U1, U2, U0. Кроме того, необходима информация о проводнике, по которому электрическая энергия поступает от ВРУ дома до главного распределительного щита ИЖД, от которого уже происходит разделение питания ЭП по различным группам. В качестве такой информации принимаются данные о марке кабеля и его протяженности.

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

Рис. 2. Прибор Pecypc-UF2M для измерения параметров и показателей качества электрической энергии: а) внешний вид; b) его установка на ВРУ дома при производстве измерений Fig. 2. The Resource-UF2M device for measuring parameters and indicators of the power quality: a) appearance; b) its installation on the IHEN at home during measurements Источник: разработано авторами на основании исследований

Все дальнейшее реализуется в программном обеспечении «ModulHouse», которое позволяет осуществлять расчет для каждого изменения токовой нагрузки следующих показателей: коэффициентов K2U, K0U, 8U и КР. Кроме того, Программа производит расчет потерь активной, реактивной и полной мощности в этих же временных промежутках в исследуемой электрической сети дома. Следует отметить, что расчет осуществляется в следующем порядке. Сначала производится расчет указанных показателей, затем, в соответствии с уровнем сложившейся несимметрии токов и напряжений в каждый момент времени, определяются параметры СУ (для каждого значения изменяющейся несимметричной нагрузки) и вновь определяются исследуемые показатели с учетом влияния на их значения параметров СУ.

Результаты исследований и обсуждение

После осуществления измерений и расшифровки жесткого диска Прибора, при использовании технологий графического редактора MATLAB, произведено построение диаграмм изменения фазных токов, тока в нулевом проводнике (a), а также фазных и междуфазных напряжений (b), которые представлены на рис. 3.

Как видно, уровень несимметрии фазных напряжений хотя и имеет место быть, тем не менее усредненный уровень за весь процесс измерения не

столь явно выражен. Это подтверждается еще менее выраженным уровнем несимметрии междуфазных напряжений, их усредненные значения составили: иАВ = 385,17 В; ивс = 384,06 В; иСА = 385,82 В. Тем не менее вследствие значительной несимметрии токов уровень дополнительных потерь, обусловленных появлением в несимметричном режиме, наряду с током прямой, симметричных составляющих токов обратной и нулевой последовательностей достигает значительной величины. Это можно видеть на рисунке 4, на котором представлены диаграммы изменения коэффициента потерь в функции тока нулевой последовательности.

Как видно из представленного рисунка, с увеличением тока 10 соответственно происходит значительное увеличение коэффициента КР, поскольку, исходя из выражения (1), вытекает, что эти две величины не просто связаны квадратичной зависимостью тока 10, но и при равенстве сечений нейтрального и фазного проводников происходит четырехкратное увеличение коэффициента КР. При этом при усредненном значении тока 10, равном 5,43 А (среднее значение тока обратной последовательности при этом равно 5,4 А), среднее значение коэффициента потерь КР составило 2,47. То есть дополнительные потери мощности, обусловленные протеканием токов обратной (и в большей степени нулевой) последовательности, почти в 2,5 раза превышают потери, обусловленные протеканием только токов прямой последовательности (в условно-симметричном режиме).

Как было сказано выше, параметры СУ изменяются пропорционально изменению мощности несимметричной нагрузки и в основном, как следует из выражения (2), определяются изменением тока нулевой последовательности. Это наглядно подтверждается рисунком 5, на котором представлено изменение проводимости нулевой последовательности СУ (Увоо) и тока 10 (по оси ординат отложена проводимость СУ - голубой цвет и тока нулевой последовательности - коричневый цвет; по оси абсцисс - время производства измерений) в интервале времени измерения.

На представленном рисунке 5 видно, что 10 значений изменения проводимости нулевой последовательности СУ выходят за пределы графика (интервал значений этих точек изменения УСУ0 находится в пределах от 82,7 до 147,17 Сим.). Это обусловлено достижением наглядности, поскольку изменение тока 10 (по оси ординат) происходит в гораздо меньших пределах значений этой величины.

ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE

усредненные за период измерения значения коэффициента потерь и коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности составляли 2,47 о.е. и 1,35 % соответственно. При включении СУ отмечается резкое уменьшение коэффициента потерь до усредненного значения, равного 1,017 о.е. (рис. 6, а). То есть снижение этого коэффициента произошло в 2,43 раза. Аналогичная картина наблюдается и с коэффициентом K0U. При отсутствии СУ его среднее значение составляло 1,35 %, при включении СУ на шинах ВРУ ИЖД это значение снизилось в 1,92 раза.

Анализ изменения диаграмм тока и проводимости СУ показывает, что чем выше значение тока нулевой последовательности в сети, тем в большей степени возрастает проводимость устройства (то есть значительно уменьшается его сопротивление нулевой последовательности).

Соответственно этому потоки нулевой последовательности, устремляясь по пути наименьшего сопротивления, замыкаются на участке между узлом несимметричной нагрузки.

Произведенный анализ этого рисунка показал следующее. При отсутствии СУ на шинах ВРУ дома

Рис. 3. Изменение фазных токов, тока в нулевом проводнике (а) и фазных и междуфазных напряжений (b) в исследуемой внутренней электрической сети ИЖД Fig. 3. Change of phase currents, current in the zero conductor (a) and phase and phase-to-phase voltages (b) in the studied internal electrical network of the IRB Источник: разработано авторами на основании исследований

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

т€й

| х = 5610 • V = 4.421 Г^Л ■г = 1.603 1

Ток нулевой по с ле дВ a^fe^i ь ¡ЦстМфц * %

7nW «>!«..a«.»«*. current^ £ e

2.5 0 5*1004508""

Рис. 4. Диаграмма изменения коэффициента потерь мощности во внутренней электрической сети 0,38 кВ ИЖД Fig. 4. The change diagram of the power loss coefficient in the 0.38 кУ IRB internal electrical network Источник: разработано авторами на основании исследований

Рис. 5. Диаграммы изменения проводимости СУ и тока нулевой последовательности в ВЭС ИЖД Fig. 5. The changing Diagrams of the BD conductivity of the zero sequence and the current of the zero sequence in

the IRB IHEN

Источник: разработано авторами на основании исследований

ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE

Рис. 6. Диаграммы изменения показателей до и после включения СУ: a) коэффициент КР; b) коэффициент K0U Fig. 6. Changes diagrams of the indicators before and after the BD inclusion: a) КР coefficient; b) K0U coefficient Источник: разработано авторами на основании исследований

Рассмотрим, как влияет установка СУ на другой показатель качества, характеризующий медленные изменения напряжения электропитания, т. е. на установившееся отклонение напряжения (рисунок 7). Анализ рисунка 7 показал, что с увеличением тока нулевой последовательности происходит и возрастание установившегося отклонения фазного напряжения. И это справедливо, поскольку ток нулевой последовательности, протекая по элементам сети, будет создавать на каждом из них соответ-

ствующие падения напряжения, и чем ток выше, тем выше и величина таких падений напряжений. Так, например, току 10 = 2,74 А, соответствует ёи = 1,98 %; но уже следующему значению тока 10 = 5,75 А соответствует ёи = 2,09 %. При этом если при отсутствии СУ среднее значение за период измерения ёи = 1,05 %, то при включении СУ на шинах ВРУ ИЖД это значение составило: ёи = 0,82 %. То есть уменьшение этого показателя при включении СУ составило 22 %.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Рис. 7. Временные диаграммы изменения установившегося фазного отклонения напряжения в функции тока нулевой последовательности ВЭС ИЖД Fig. 7. Time diagrams of the voltage phase's steady-state deviation

change in the zero sequence current function of the IRB IHEN Источник: разработано авторами на основании исследований

Рис. 8. Изменение активных потерь мощности в ВЭС ИЖД при отсутствии СУ Fig. 8. Change of the active power losses in the IRB IHEN when the BD is absence Источник: разработано авторами на основании исследований

В заключении осуществим анализ изменения реальных потерь активной мощности и энергии до и после включения СУ во ВЭС ИЖД с целью определения влияния СУ на стоимость этих потерь.

На рис. 8 и 9 представлены диаграммы изменения активных потерь, при отсутствии (рис. 8) и включении СУ (рис. 9) в исследуемой сети.

Анализ этих двух рисунков показал, что снижение суммарных активных потерь после включе-

ния СУ (по сравнению с режимом при его отсутствии) составило 67,4 %. При этом разность между суммарным значением этих потерь до и после включения СУ в электрической сети за период измерения (7 дней) составила 8,53 кВт. Следует отметить, что в данном случае речь идет только о тех потерях активной мощности, которые рассчитываются в кабельной линии протяженностью 30 м от ВРУ до главного распределительного щита ИЖД.

ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE

Рис. 9. Изменение активных потерь мощности при включении СУ на шинах ВРУ ИЖД Fig. 9. Change in active power losses when the BD is switching on the IDDtires Источник: разработано авторами на основании исследований

Если предположить, что уровень несимметричного электропотребления в данном ИЖД останется неизменным в течение года, дополнительные потери ЭЭ составят за этот год 443,97 кВтч. При сложившемся уровне стоимости 1 кВтч в Иркутской области на 01.01.2022 для сельских населенных пунктов, равной 0,861 руб.4, стоимость сэкономленной ЭЭ при установке СУ на шинах ВРУ ИЖД (только на указанном участке трехфазного кабеля) составит 382,26 руб.

Заключение

На основе произведенного анализа несимметричных режимов работы во внутренней электрической сети ИЖД можно сделать следующие выводы:

1. Уровень несимметрии фазных токов во внутренних электрических сетях индивидуальных жилых домов весьма значителен, что обусловлено несимметричным потреблением электрической энергии электроприемниками дома в течение суток.

2. Наиболее эффективным средством симметрирования режимов работы таких электрических сетей является использование специальных симметрирующих устройств с автоматическим управлени-

ем его параметрами в функции тока нулевой последовательности.

3. Подключение СУ на шинах ВРУ ИЖД позволяет:

- в 2,5 раза снизить коэффициент потерь мощности, определяющий отношение потерь в несимметричном режиме, к потерям, обусловленным током прямой последовательности;

- значительно повысить качество ЭЭ за счет снижения (почти в 2 раза) коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности и уменьшения (более, чем на 20 %) значения установившегося отклонения напряжения;

- уровень реальных потерь активной мощности, обусловленных несимметрией фазных токов, снижается почти на 70 %.

4. Приведенные результаты исследования наглядно показывают, в какой степени разработка ресурсосберегающих и снижающих пожарную опасность технических средств может быть использована для энергоемких процессов в быту сельского населения и в производственных процессах объектов сельского хозяйства.

Примечания:

1 ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Дата введения 2014-07-01. Электронный ресурс: https://docs.cntd.ru/document/1200104301 (Дата обращения: 25.03.2022).

2 Наумов И. В. Снижение потерь и повышение качества электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ с помощью симметричных устройств // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. 2002, Санкт-Петербург. 387 с.

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

3 ГОСТ Р 8.655-2009. Средства измерений показателей качества электрической энергии / Электронный ресурс: https://docs.cntd.ru/document/1200075494 (Дата обращения: 27.03.2022).

4 Тарифы на электрическую энергию на 2022 год. Электронный ресурс: https://sbyt.irkutskenergo.ru/qa/6914.html (Дата обращения: 27.03.2022).

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Волков С. В., Орлов А. И., Бортник Д. В. Качество электрической энергии в низковольтных электрических сетях с коммунально-бытовой нагрузкой // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. 2017. С. 517-525.

2. Абдиева З. Э. Оценка влияния несимметрии нагрузки на потери электрической энергии в сетях 0,4 кВ // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. 2014. № 32-1. С. 157-159.

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. Жилин М. И., Воркунов О. В. Повышение качества электроэнергии // Приоритетные направления развития науки. В 2-х частях. 2017. Москва. С. 83-85.

5. Васильев Н. В., Криштопа Н. Ю. Анализ потерь мощности от несимметрии токов в сельских электрических сетях 0,38 кВ // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 43-50.

6. Фетисов Л. В., Роженцова Н. В., Булатов О. А. Повышение качества электроэнергии в низковольтных сетях // Известия высших учебных заведений. 2018. Энергетические проблемы. 20. C. 11-12.

7. Basmanov V. G., Votinsev A. V. Developing a Methodology for Calculating Asymmetric Modes of Power Supply Systems at Enterprises if Source Information Is Incomplete // 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 14.1109/ICIEAM51226.2021.9446400.

8. Козловская В. Б., Калечиц В. Н. Асимметричные режимы линий наружного освещения // Программа «Энергетика» высших учебных заведений и энергетических ассоциаций СНГ. 2019. № 62 (3). С. 232-246.

9. Aluynov O., Vyatkina E. and Bylanov S. Simulation of a low-voltage distribution network when arranging voltage stabilizers // E3S Web of Conferences 288, 01104 (2021) https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128801104 SUSE-2021.

10. Ogunboyo Patrick T., Tiako Remy and Davidson Innocent E. An Investigation of Voltage Quality in Low Voltage Electric Power Distribution Network under Normal Operation Mode // ACRID. 2017, June 20-21, Victoria Falls, Zimbabwe. P. 254-265.DOI 10.4108 / eai.20-6-2017.2270701.

11. Дулепов Д. Е., Кондраненкова Т. Е. Снижение потерь и повышение качества электрической энергии при несимметричных режимах в сельских распределительных электрических сетях // Электроэнергетика глазами молодежи - 2017. 2017. С. 328-331.

12. Naumov I. V. An Analysis of Fires Due to Violation of the Rules for Design and Operation of Electrical Plants, and How to Prevent them in Residential Buildings (on the Example of the Amur Region) // 2019 International Science and Technology Conference «EastConf» INSPEC. Date of Conference: 1-2 March 2019. DOI: 10.1109/EastConf.2019.8725407.

13. Косоухов Ф. Д. Методы расчета и анализа показателей дисбаланса тока и напряжения в сельских распределительных сетях. Ленинград, ЛСХИ, 1984. 42 с.

14. Кулагин С. А. Сопротивление обратной последовательности узла сельскохозяйственной нагрузки // Сборник научных трудов ЛСХИ. 1986. С. 18-24.

15. Pana A., Baloi A., Molnar-Matei F. New method for calculating the susceptances of a balancing capacitive compensator for a three-phase four-wire distribution network // International Journal Of Electrical Power & Energy Systems. Feb 2020. DOI:10.1016/J.IJEPES.2019.105414.

16. Гринь А. А., Скороходова И. Г., Чебанов К. А., Гринь А. И. Использование вычислительного моделирования для повышения эффективности мероприятий по снижению потерь электроэнергии // Вестник СевероКавказского федерального университета. 2020. № 2 (77). С. 7-16.

ХЖХЖХХ ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_

17. Наумов И. В., Иванов Д. А., Подъячих С. В., Гантулга Д. Симметрирующее устройство для трёхфазных сетей с нулевым проводом // Патент на изобретение № 2490768. Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ от 20 августа 2013 г.

18. Shklyarskiy Y. E., Shklyarskiy A. Y., Belitskiy A. A. The Compensation Criterion of Overload Neutral Wire Current in Low Voltage Electrical Networks // IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRus). D0I:10.1109/EIC0NRUS.2017.7910728.

19. Pana A., Baloi A., Molnar-Matei F. Experimental validation of power mechanism for load balancing using variable susceptances in three phase four wire distribution networks // International Conference on Computer as a Tool (EUROCON 2007). У. 1-6, P.1146-1151.

20. Бурбело М. И., Девятко М. В., Войтюк Ю. П. Управление симметрирующими устройствами при многократной несимметрии нагрузок в распределительной электрической сети // Научные труды Винницкого национального технического университета. 2012. № 2. С. 2.

21. Иванов Д. А. Конденсаторные симметрирующие устройства для низковольтных электрических сетей с нулевым проводом // Байкальский Вестник ДААД. 2019. № 1. С. 58-63.

Дата поступления статьи в редакцию 22.03.2022, одобрена после рецензирования 25.04.2022;

принята к публикации 27.04.2022.

Информация об авторах:

И. В. Наумов - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, Spin-код: 3954-3292;

А. В. Бастрон - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электроснабжения сельского хозяйства, Spin-код: 7629-3338.

Заявленный вклад авторов:

Наумов И. В. - постановка научной проблемы статьи и определение основных направлений ее решения; создание проекта исследовательской модели, подготовка текста статьи; оформление таблиц с результатами исследований; оформление результатов исследования в графиках; проведение анализа и подготовка первоначальных выводов.

Бастрон А. В. - поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках; подготовка литературного обзора; критический анализ и доработка текста.

Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов.

REFERENCES

1. Volkov S. У., Orlov A. I., Bortnik D. У. Kachestvo elektricheskoj energii v nizkovol'tnyh elektricheskih setyah s kommunal'no-bytovoj nagruzkoj [Quality of electrical energy in low-voltage electric networks with household load], Problemy i perspektivy razvitiya otechestvennoj svetotekhniki, elektrotekhniki i energetiki [Problems and prospects of development of domestic lighting, electrical engineering and power engineering], 2017, pp. 517-525.

2. Abdieva Z. E. Ocenka vliyaniya nesimmetrii nagruzki na poteri elektricheskoj energii v setyah 0,4 kV [Assessment of the effect of load asymmetry on electrical energy losses in 0.4 kV networks], Izvestiya Kyrgyzskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. I. Razzakova [Proceedings of the Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakov], 2014, No. 32-1, pp. 157-159.

3. Kosouhov F. D., Vasil'ev N. V., Filippov A. O. Snizhenie poter' ot nesimmetrii tokov i povyshenie kachestva elektricheskoj energii v setyah 0,38 kV s kommunal'no-bytovymi nagruzkami [Reduction of losses from non-symmetry of currents and improvement of the quality of electrical energy in 0.38 kV networks with municipal loads] // Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2014, No. 6, pp. 8-12.

4. ZHilin M. I., Vorkunov O. V. Povyshenie kachestva elektroenergii [Improving power quality], Prioritetnye napravleniya razvitiya nauki: Sbornik statej po materialam mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. [Priority directions of development of science: Collection of articles on the materials of the international scientific and practical conference], In 2 parts. 2017. Moscow, pp. 83-85.

56

XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ

5. Vasil'ev N. V., Krishtopa N. Yu. Analiz poter' moshchnosti ot nesimmetrii tokov v sel'skih elektricheskih setyah 0,38 kV [Analysis of power losses from the asymmetry of currents in rural electric networks of 0.38 kV], Innovacii v sel'skom hozyajstve [Innovations in agriculture], 2015, No. 4 (14), pp. 43-50.

6. Fetisov L. V., Rozhencova N. V., Bulatov O. A. Povyshenie kachestva elektroenergii v nizkovol'tnyh setyah [Improving power quality in low-voltage networks], Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Energeticheskie problemy [Proceedings of Higher Educational Institutions. Energy challenges], 2018, No. 20. pp. 11-12.

7. Basmanov V. G., Votinsev A. V. Developing a Methodology for Calculating Asymmetric Modes of Power Supply Systems at Enterprises if Source Information Is Incomplete, 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). DOI: 14.1109/ICIEAM51226.2021.9446400.

8. Kozlovskaya V. B., Kalechic V. N. Asimmetrichnye rezhimy linij naruzhnogo osveshcheniya [Asymmetric modes of outdoor lighting lines], Programma «Energetika» vysshih uchebnyh zavedenij i energeticheskih associacij SNG [Program «Energy» of higher educational institutions and energy associations of the CIS], 2019, No. 62 (3), pp.232-246.

9. Aluynov O., Vyatkina E., Bylanov S. Simulation of a low-voltage distribution network when arranging voltage stabilizers, E3S Web of Conferences 288, 01104 (2021) https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128801104 SUSE-2021.

10. Ogunboyo Patrick T., Tiako Remy and Davidson Innocent E. An Investigation of Voltage Quality in Low Voltage Electric Power Distribution Network under Normal Operation Mode, ACRID 2017, June 20-21, Victoria Falls, Zimbabwe, pp. 254-265. DOI 10.4108 / eai.20-6-2017.2270701.

11. Dulepov D. E., Kondranenkova T. E. Snizhenie poter' i povyshenie kachestva elektricheskoj energii pri nesimmetrichnyh rezhimah v sel'skih raspredelitel'nyh elektricheskih setyah [Reducing losses and improving the quality of electrical energy in asymmetrical modes in rural distribution networks], Elektroenergetika glazami molodezhi - 2017 [Electric Power Engineering through the Eyes of Youth - 2017], 2017, pp. 328-331.

12. Naumov I. V. An Analysis of Fires Due to Violation of the Rules for Design and Operation of Electrical Plants, and How to Prevent them in Residential Buildings (on the Example of the Amur Region), 2019 International Science and Technology Conference «EastConf» INSPEC. 1-2 March 2019. DOI: 10.1109/EastConf.2019.8725407.

13. Kosouhov F. D. Metody rascheta i analiza pokazatelej disbalansa toka i napryazheniya v sel'skih raspredelitel'nyh setyah [Methods of calculation and analysis of current and voltage imbalance indicators in rural distribution networks], Leningrad, LSKHI, 1984, 42 p.

14. Kulagin S. A. Soprotivlenie obratnoj posledovatel'nosti uzla sel'skohozyajstvennoj nagruzki [Resistance of the reverse sequence of the agricultural load unit], Sb. nauch. trudov LSKHI [Sat. Scientific. proceedings of LSKHI], 1986, pp.18-24.

15. Pana A., Baloi A. and Molnar-Matei F. New method for calculating the susceptances of a balancing capacitive compensator for a three-phase four-wire distribution network, International Journal Of Electrical Power & Energy Systems, Feb 2020. DOI:10.1016/J.IJEPES.2019.105414.

16. Grin' A. A., Skorohodova I. G., Chebanov K. A., Grin' A. I. Ispol'zovanie vychislitel'nogo modelirovaniya dlya povysheniya effektivnosti meropriyatij po snizheniyu poter' elektroenergii [Use computational modeling to improve the efficiency of measures to reduce energy losses], Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta [Bulletin of the North Caucasus Federal University], 2020, No. 2 (77), pp. 7-16.

17. Naumov I. V., Ivanov D. A., Pod"yachih S. V., Gantulga D. Simmetriruyushchee ustrojstvo dlya tryohfaznyh setej s nulevym provodom [Balancing device for three-phase networks with zero wire], Patent for invention No. 2490768. Registered in the State Register of Inventions of the Russian Federation dated August 20, 2013.

18. Shklyarskiy Y. E., Shklyarskiy A. Y., Belitskiy A. A. The Compensation Criterion of Overload Neutral Wire Current in Low Voltage Electrical Networks, IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRus). DOI: 10.1109/EITONRUS.2017.7910728.

19. Pana A., Baloi A. and Molnar-Matei F. Experimental validation of power mechanism for load balancing using variable susceptances in three phase four wire distribution networks, International Conference on Computer as a Tool (EUROCON2007), Vol. 1-6, pp. 1146-1151.

20. Burbelo M. I., Devyatko M. V., Vojtyuk Yu. P. Upravlenie simmetriruyushchimi ustrojstvami pri mnogokratnoj nesimmetrii nagruzok v raspredelitel'noj elektricheskoj seti [Control of symmetrizing devices with

57

ХЖХЖХХ ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_ multiple unsymmetry of loads in the distribution electrical network], Nauchnye trudy Vinnickogo nacional'nogo tekhnicheskogo universiteta [Scientific works of Vinnytsia National Technical University], 2012, No. 2, pp. 2.

21. Ivanov D. A. Kondensatornye simmetriruyushchie ustrojstva dlya nizkovol'tnyh elektricheskih setej s nulevym provodom [Capacitor balancing devices for low-voltage electrical networks with zero wire], Bajkal'skij Vestnik DAAD [Baikal Bulletin DAAD], 2019, No. 1, pp. 58-63.

The article was submitted 22.03.2022; approved after reviewing 25.04.2022; accepted for publication 27.04.2022.

Information about the authors: I. V. Naumov - Dr. Sci. (Engineering), professor, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Spin-код: 3954-3292;

A. V. Bastron - Ph. D. (Engineering), associate professor, Head of the Department of Power Supply of Agriculture, Spin-код: 7629-3338;

Contribution of the authors:

Naumov I. V. - formulation of the scientific problem of the article and determination of the main directions of its solution; creation of a draft research model, preparation of the text of the article; preparation of tables with research results; registration of the results of the study in the graphs; analysis and preparation of initial conclusions. Bastron A. V. - search for analytical materials in domestic and foreign sources; preparation of a literary review; critical analysis and revision of the text.

The authors state that there are no conflicts of interest.