КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОСИММЕТРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631.371:621.316

БО! 10.24411/2078-1318-2018-14288

Канд. техн. наук Н.В. ВАСИЛЬЕВ

(ФГБОУ ВО СПбГАУ, profkom_gau@mail.ru) Соискатель Е.С. КУЗНЕЦОВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, elenok79@mail.ru) Соискатель А.О. ГОРБУНОВ

(666 «Контел», spbgau@girtab.su)

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОСИММЕТРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Преподавателями и аспирантами кафедры электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ разработано фильтросимметрирующее устройство (ФСУ), на которое получен патент [1]. Это устройство было экспериментально исследовано на физической модели сети 0,38 кВ в 2014 г. Результаты исследований показали, что ФСУ обеспечивает симметрирование однофазных, двухфазных и трёхфазных несимметричных нагрузок, значительно снижая потери мощности в трёхфазных трансформаторах и четырёхпроводных линиях [2].

Цель исследования - установить возможность использования фильтросимметрирующего устройства, одновременно с симметрированием нагрузок в сельских электрических сетях, для компенсации реактивной мощности.

Материалы, методы и объекты исследования. Известно, что для компенсации реактивной мощности в сельских электрических сетях 0,38 кВ широко используются статические конденсаторные батареи [3,4]. Компенсация реактивной мощности - самое дешёвое и эффективное средство повышения качества электрических систем. Конденсаторные установки уменьшают потери и повышают качество электроэнергии в элементах сети электроснабжения.

В фильтросимметрирующих устройствах, предназначенных для снижения несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ, применяются три конденсаторные батареи (КБ), соединённые в звезду (рис. 1).

и

Г

—ОА

ОМ

Рис. 1. Фильтросимметрирующее устройство для трёхфазной сети с нулевым проводом

В нулевой точке КБ «0» подключается последовательно рабочая обмотка 10 магнитного усилителя (МУ), обмотка управления 11 которого питается от выпрямителя 14 через резисторы 12 и 13. Таким образом, три КБ и рабочая обмотка 10 МУ, включённая между нулевым проводом N сети и нулевой точкой 0 КБ, соединены последовательно и работают в режиме резонанса напряжения, при котором выполняется условие:

3ХЬ = Хс , (1)

где X¿ - индуктивное сопротивление рабочей обмотки МУ;

Xс - ёмкостное сопротивление КБ.

Электрическая цепь ФСУ «КБ-МУ» настраивается в резонанс при ёмкостях 1-4-7, изменением тока подмагничивания обмотки управления МУ с помощью резисторов 12, 13.

Если в трёхфазной сети 0,38 кВ имеет место недокомпенсация реактивной мощности, то с помощью контактов 16 включают вторую секцию КБ 2, 5, 8, одновременно шунтируют резистор 13; при этом увеличивается ток подмагничивания 1о, возрастает насыщение ферромагнитных сердечников МУ, изменяется их магнитная проницаемость и индуктивность L р рабочих обмоток 10, устанавливается равенство (1). Дальнейшее увеличение эффекта компенсации реактивной мощности сети достигается включением, с помощью контактов 17, третьей ступени КБ 3, 6, 9 и одновременным шунтированием резистора 12.

Таким образом, ФСУ, включённое с помощью контактов 15 в трёхфазную сеть 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой, обладая малым сопротивлением нулевой последовательности (активным сопротивлением RL рабочей обмотки МУ), будет шунтировать токи нулевой последовательности сети, снижая потери в линии и трансформаторе и повышая качество электрической энергии.

Экспериментальное исследование потерь мощности от несимметрии токов

с помощью ФСУ

В СПбГАУ разработана физическая модель электрической сети 0,38 кВ (рис. 2). Она содержит три однофазных автотрансформатора АТ1, АТ2 и АТ3 для регулирования входного напряжения силового трансформатора Т номинальной мощностью 25 кВА, коэффициент трансформации которого равен 1 . К выходным зажимам трансформатора подключена воздушная линия общей длиной 370 м, выполненная изолированным проводом марки СИП -4 поперечным сечением 25 мм2. В конце линии подсоединен узел нагрузки, состоящий из регулируемой активной нагрузки мощностью 25 кВт, двух трехфазных асинхронных электродвигателей номинальной мощностью 4,5 кВт каждый, нагрузкой которых являются генераторы постоянного тока.

ФСУ зажимами ABCN подключается к физической модели электрической сети 0,38 кВ к зажимам а 1, Ь1, С1, П1, то есть после «Энергомонитора 3.3», №2.

АТ1

Рис. 2. Функциональная схема физической модели электрической сети 0,38 кВ

Измерения напряжений, токов, активных, реактивных и полных мощностей, и других физических величин производились в четырёх точках схемы: на входе трансформатора («Энергомонитор 3.3», №1), на выходе трансформатора («Энергомонитор 3.3», №2), в узле нагрузок (на выходе линии - «Энергомонитор 3.3», №3) и на входе ФСУ («Энергомонитор 3.3», №4). Измерительный комплекс «Энергомонитор 3.3» имеет высокий класс точности -0,1 и предназначен для электроэнергетических исследований.

Применение четырёх измерительных комплексов в физической модели сети 0,38 кВ позволяет одновременно измерить потери мощности в трансформаторе и потери мощности в линии, что очень важно при исследовании потерь в каждом физическом элементе электрической сети 0,38 кВ. Исследование потерь мощности от несимметрии токов проводились по разработанной методике для трансформатора со схемой соединения обмоток

Y/YH при различных видах линейной несимметричной нагрузки: однофазной, двухфазной, однофазной с трёхфазным асинхронным электродвигателем. Нагрузка постепенно увеличивалась от холостого хода силового трансформатора до номинальной; измерения всех физических величин производились обычно для пяти опытов (опыты от №1 до №5).

Для измерения потерь мощности от несимметричных токов в трёхфазном трансформаторе и в четырёхпроводной линии на кафедре Электроэнергетики и

электрооборудования СПбГАУ разработан критерий потерь мощности ( ЛтЕ ) от несимметрии токов [5], который позволяет разделить основные потери и потери от несимметрии токов в трёхфазных трансформаторах и четырёхпроводных линиях:

КЕ = К2, + (2)

где K2i, Koi - коэффициенты обратной улевой последовательности токов;

Ri, Ro - активные сопротивления прямой и нулевой последовательности трансформатора или четырёхпроводной линии.

Как видно из выражения (2), критерий потерь мощности от несимметрии токов в трёхфазном трансформаторе зависит от показателей несимметрии токов нагрузки (K2i, K0i) и от конструктивных параметров (Ri, Ro) трансформатора.

Результаты исследований. Исследования потерь мощности в сельской сети 0,38 кВ проведены на физической модели сети (рис. 2) с помощью ФСУ (рис. 1). Сеть 0,38 кВ

включает трёхфазный силовой трансформатор со схемой соединения обмоток Y/YH -наиболее распространённый в сельскихсетях трансформатор, и четырёхпроходную линию, выполненную изолированным проводом с одинаковым сечением фазных и нулевого проводов. В табл. i и 2 выписаны из результатов измереннные с помощью приборов «Энергомонитор 3.3» только те физические величины, которые необходимы для расчёта потерь мощности в трансформаторе и в линии:

активные мощности Рвх, P вых1, P вых2 ; реактивная мощность Qs^ ;

токи прямой Ii, обратной I2 и нулевой Io последовательностей; коэффициенты обратной K 2i и нулевой Koi последовательностей токов; По результатам измерений вычислены: Потери активной мощности в трансформаторе и в линии: от токов прямой последовательности:

ЛР1Т = 3iÎR1T ; ЛРщ = 3/2^1Л от токов обратной последовательности:

ЛР2Т = 3/|^2r ; ЛР2л = 3/|Й2л

причём ЛР2Т = R1T; АРгл = й^.

от токов нулевой последовательности:

АР0Т = 3/2^or ; АР0 л = 3/о2Дол.

Критерий потерь мощности от несимметричных токов трансформатора и линии (по формуле (2)):

V — V2 л. V2 кот . у — V2 ± V2 Кол КЕТ - К21 + ; КеЛ - К21 + К01 ЛЛ

Потери мощности от несимметричных токов трансформатора и линии по двум формулам:

АРеТ - А?2Т + АРоТ ; АРел - АР2Л + ЛРОЛ (3)

АРеТ - КеТАР1Т ; АРеЯ - КеЯАР1Я (4)

Таблица 1. Результаты измерения и расчёта потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ с трансформатором Y/Yн: изменяется однофазная активная нагрузка с АД №1

Трансформатор Y/Y н, линия Физ. велич. Ед. измерен. Номер опыта Примечание

№1 №2 №3 №4 №5

Измерено —

Рвх Вт 6340 7425 9042 9905 10488

Рвых1 Вт 6100 7100 8520 9220 9632

Рвых2 Вт 5905 6750 7840 8338 8550

Qвых1 вар 2860 2980 3231 3370 3470

II А 10,4 12,1 14,8 16,3 17,3

Ь А 2,38 3,87 6,2 7,4 8,3

ь А 2,45 4,1 6,7 8,1 9,1

K2i о. е. 0,23 0,32 0,42 0,45 0,48

Koi о. е. 0,24 0,34 0,45 0,5 0,53

Kou о. е. 3,25 5,65 9,04 10,78 11,88

Трансформатор Y/Y н Вычислено Zl=0,269 Ом Rl=0,202 Ом Zo=4,95 Ом Ro=2,72 Ом

АР 1 Вт 65,54 88,72 132,74 161,01 181,37

АР 2 Вт 3,43 9,08 23,29 33,18 41,75

АР 0 Вт 48,98 137,17 366,3 535,38 675,73

K е о. е. 0,8 1,65 2,94 3,53 3,96

АРе Вт 52,41 146,25 389,6 568,56 717,48

^ Вт 52,43 146,39 390,26 568,37 718,23

АР т % 3,79 4,38 5,77 6,92 8,16

Линия АР 1 Вт 149,91 202,92 303,59 368,25 414,82 Zl=0,464 Ом Rl=0,462 Ом Zo=1,467 Ом ^=1,411 Ом

АР 2 Вт 7,85 20,76 53,28 75,9 95,48

АР 0 Вт 25,41 71,16 190,02 277,73 350,53

K е о. е. 0,222 0,453 0,801 0,96 1,075

АРе Вт 33,26 91,91 243,3 353,62 446,02

Вт 33,28 91,92 243,18 353,52 445,93

АРл % 3,2 4,93 7,98 9,57 11,23

Таблица 2 . Результаты измерения и расчёта потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ с трансформатором Y/Yн и ФСУ, подключённым к шинам Н.Н.: изменяется однофазная активная нагрузка с АД №1

Трансформатор Y/Y н, линия Физ. велич. Ед. измерен. Номер опыта Примечание

№1 №2 №3 №4 №5

Измерено —

Рвх Вт 6415 7510 9187 10085 10656

Рвых1 Вт 6200 7251 8785 9585 10053

Рвых2 Вт 5991 6833 7910 8322 8560

Qвых1 вар 163 266 536 703 815

I: А 9,5 11,2 13,8 15,2 16,1

Ь А 2,3 3,9 6,2 7,6 8,4

1о А 1,8 2,8 4,7 5,89 6,6

К21 о. е. 0,24 0,35 0,45 0,5 0,52

К01 о. е. 0,19 0,25 0,34 0,39 0,41

Кои о. е. 2,23 3,66 6,38 7,84 8,74

Трансформатор Y/Y н Вычислено 21=0,269 Ом Я1=0,202 Ом 20=4,95 Ом Я0=2,72 Ом

АР 1 Вт 54,69 76,02 115,41 140,01 157,08

АР 2 Вт 3,21 9,22 23,29 35 42,76

АР о Вт 26,44 63,97 180,25 283,09 355,45

К е о. е. 0,54 0,96 1,76 2,27 2,54

АРе Вт 29,64 73,19 203,55 318,09 398,21

^ Вт 29,53 72,98 203,12 317,82 398,98

АР т % 3,35 3,45 4,38 4,96 5,66

Линия АР 1 Вт 125,09 173,86 263,95 320,22 359,27 21=0,464 Ом Я1=0,462 Ом 20=1,467 Ом Я0=1,411 Ом

АР 2 Вт 7,33 21,08 53,28 80,06 97,8

АР о Вт 13,71 33,19 93,51 146,85 184,39

К е о. е. 0,168 0,312 0,556 0,709 0,785

АРе Вт 21,05 54,27 146,78 226,91 282,19

ЛРЕ' Вт 21,02 54,24 146,76 227,04 282,03

АРл % 3,37 5,76 9,96 13,18 14,85

Сравнение результатов расчёта потерь мощности от несимметричных токов по разным формулам показывает (табл. 1, 2), что результаты практически полностью совпадают. Следовательно, формула (2), полученная на кафедре Электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ, справедлива для различных несимметричных режимов сети 0,38 кВ.

Сравнение критериев потерь мощности от несимметричных токов в сети 0,38 кВ с

трансформатором У/Ун без ФСУ и с ФСУ на шинах Н.Н. трансформатора приведено в табл. 3 и на графиках, поканых на рис. 3 и 4.

Из данных табл. 3 следует, что отношение критерия потерь для трансформатора без ФСУ к трансформатору с ФСУ изменяется с увеличением нагрузки (при переходе от опыта №1 к опыту №5):

— при однофазной нагрузке - от 8,72 до 1,62;

— при двухфазной нагрузке - от 2,67 до 1,67;

— при однофазной регулируемой нагрузке с трёхфазным асинхронным электродвигателем 4,5 кВт с постоянной нагрузкой - от 1,48 до 1,56.

Для линии, при том же характере изменения нагрузки, что и для трансформатора, отношение критерия потерь мощности равно:

— при однофазной нагрузке - от 3,27 до 1,25;

— при двухфазной нагрузке - от 2,3 до 1,29;

— при однофазной регулируемой нагрузке с трёхфазным асинхронным электродвигателем - от 1,32 до 1,37.

16 14 12 10 8 6 4 2 0

8

Рвх, кВт

10

12

14

Однофазная активная нагрузка без ФСУ —■— —■—и Однофазная активная нагрузка с ФСУ - -□- -Двухфазная активная нагрузка без ФСУ —*— Двухфазная активная нагрузка с ФСУ - -Однофазная активная нагрузка и АД 4,5 кВт без ФСУ —•— Однофазная активная нагрузка и АД 4,5 кВт с ФСУ - -

16

Рис. 3. Зависимость критерия потерь мощности трансформатора У/Ун от входной активной мощности трансформатора

си о

Однофазная активная нагрузка без ФСУ Однофазная активная нагрузка с ФСУ _ Двухфазная активная нагрузка без ФСУ

■ " Двухфазная активная нагрузка с ФСУ

Однофазная активная нагрузка и АД 4,5 кВт без ФСУ Однофазная активная нагрузка и АД 4,5 кВт с ФСУ

П " *

8

Рвх- кВт

10

12

14

Рис. 4. Зависимость критерия потерь мощности линии 0,38 кВ от входной активной мощности трансформатора

Таблица 3 . Сравнение критериев потерь мощности от несимметрии токов в электрической сети 0,38 кВ с трансформатором Y/Yн без ФСУ и с ФСУ на шинах Н.Н. трансформатора

Режим сети Характер нагрузки Номер опыта

№1 №2 №3 №4 №5

Трансформатор Y/Yн

Без ФСУ Однофазная активная 14,47 14,47 14,47 14,47 14,47

С ФСУ 1,66 3,64 6,86 8,36 8,93

Без ФСУ Двухфазная активная 3,31 2,95 2,59 2,39 2,27

С ФСУ 1,24 1,42 1,42 1,43 1,42

Без ФСУ Однофазная активная с АД 4,5 кВт 0,8 1,65 2,94 3,53 3,96

С ФСУ 0,54 0,96 1,76 2,27 2,54

Линия

Без ФСУ Однофазная активная 4,054 4,054 4,054 4,054 4,054

С ФСУ 1,24 1,977 2,795 3,164 3,256

Без ФСУ Двухфазная активная 0,968 0,91 0,865 0,839 0,824

С ФСУ 0,42 0,539 0,597 0,625 0,64

Без ФСУ Однофазная активная с АД 4,5 кВт 0,222 0,453 0,801 0,96 1,075

С ФСУ 0,168 0,312 0,556 0,709 0,785

Из этих данных видно, что ФСУ при любых видах несимметрии снижает потери активной мощности в трансформаторе и в линии в 1,5 раза и более.

Чтобы установить наличие процесса компенсации реактивной мощности в сети 0,38 кВ с помощью ФСУ при экспериментальном исследовании потерь мощности, измерили четырьмя Энергомониторами одновременно с активной мощностью ещё и реактивную мощность отдельных объектов физической модели сети.

В результате исследования сети 0,38 кВ с однофазной регулируемой нагрузкой и трёхфазным асинхронным электродвигателем 4,5 кВт с постоянной нагрузкой определено следующее распределение реактивных мощностей (табл. 4):

Таблица 4. Реактивные мощности объектов физической модели сети 0,38 кВ

Режим сети 0,38 кВ Обозн. реакт. мощн. Ед. изм. Номер опыта

№1 №2 №3 №4 №5

Однофазная нагрузка с АД и ФСУ (табл. 2) @вых1 вар 163 266 536 703 815

Однофазная нагрузка с АД без ФСУ (табл. 1) Фвых1 вар 2860 2980 3231 3370 3470

Разность реактивных мощностей @вых1-@вых1 вар -2697 -2714 -2695 -2667 -2655

Реактивная мощность ФСУ (измерена Энергомонитором №4) QфСУ вар -2790 -2800 -2776 -2767 -2763

Из табл. 4 видно, что реактивная мощность сети 0,38 кВ с трёхфазным асинхронным электродвигателем без ФСУ составляет около 3000 вар (это реактивная мощность АД Фвых! ,

идущая на создание магнитного поля электродвигателя, со знаком "плюс"). При подключении ФСУ с тремя конденсаторными батареями мощностью Qфcy~3000 вар со знаком "минус", реактивная мощность электродвигателя компенсируется. Полной компенсации не достигается, так как реактивная мощность двигателя несколько больше реактивной мощности ФСУ (остаётся нескомпенсированной мощность Qsbixi).

Таким образом, ФСУ одновременно со снижением потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ компенсирует реактивную мощность трёхфазных электродвигателей.

Выводы. Разработанное на кафедре Электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ фильтросимметрирующее устройство снижает несимметрию токов в трёхфазной сети и связанные с этими токами потери мощности и электрической энергии.

Наличие в ФСУ трёх конденсаторных батарей позволяет компенсировать реактивную мощность трёхфазной нагрузки и за счёт этого умненьшать потери мощности в трёхфазной цепи.

Таким образом, данное ФСУ выполняет роль симметрирующего устройства и установки для компенсации реактивной мощности одновременно.

Литература

1. Патент на полезную модель №110876. Фильтросимметрирующее устройство для трёхфазной сети с нулевым проводом / Ф.Д. Косоухов, А.О. Горбунов, В. А. Романов, М. Ю. Теремецкий. Зарегистрировано 27 ноября 2011 г.

2. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Кузнецова Е.С. Снижение потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ с помощью фильтросимметрирующего устройства // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - № 39. - С. 374380.

3. Шишкин С. А. Повышение эффективности энергосбережения в электросетях предприятий АПК при компенсации реактивной мощности: дис... канд. техн. наук. - М., 2004. - 149 с.

4. Конюхова Е. А., Токарев С. А. Оптимальная степень компенсации реактивной мощности в электрических сетях до 1 кВ при радиальной схеме электроснабжения напряжением 10 кВ // Промышленная энергетика. - 2007. - №4. - С. 31.

5. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Кузнецова Е.С. Новые научные направления в энергосбережении в трёхфазных трансформаторах и четырёхпроводных линиях при несимметричной нелинейной и реактивной нагрузках // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2017. - №2(47). - С. 300-309.

Literatura

1. Patent na poleznuyu model' №110876. Fil'trosimmetriruyushchee ustrojstvo dlya tryohfaznoj seti s nulevym provodom / F. D. Kosouhov, A. O. Gorbunov, V. A. Romanov, M. YU. Teremeckij. Zaregistrirovano 27 noyabrya 2011 g.

2. Kosouhov F. D., Vasil'ev N.V., Kuznecova E. S. Snizhenie poter' ot nesimmetrii tokov v sel'skih setyah 0,38 kV s pomoshch'yu fil'trosimmetriruyushchego ustrojstva // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2015. - №39. - S. 374-380.

3. SHishkin S. A. Povyshenie ehffektivnosti ehnergosberezheniya v ehlektrosetyah predpriyatij APK pri kompensacii reaktivnoj moshchnosti: dis... kand. tekhn. nauk. - M., 2004. - 149 s.

4. Konyuhova E. A., Tokarev S. A. Optimal'naya stepen' kompensacii reaktivnoj moshchnosti v ehlektricheskih setyah do 1 kV pri radial'noj skheme ehlektrosnabzheniya napryazheniem 10 kV // Promyshlennaya ehnergetika. - 2007. - №4. - S. 31.

5. Kosouhov F. D., N. V. Vasil'ev, Kuznecova E. S. Novye nauchnye napravleniya v ehnergosberezhenii v tryohfaznyh transformatorah i chetyryohprovodnyh liniyah pri nesimmetrichnoj nelinejnoj i reaktivnoj nagruzkah // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - №2(47). - S. 300-309.