CC BY
148
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСИММЕТРИЧНОГО РЕЖИМА СЕЛЬСКОЙ ВОЗДУШНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 0,38/0,22 КВ
Ю. Ф. Свергун, А. А. Мирошник
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства
им. П. Василенка (ХНТУСХ)
Аннотация. Предложен метод составления схем сетей для расчета несимметричных режимов воздушных электрических сетей 0,38/0,22 кВ и их моделирование с помощью программного продукта Electronic Workbench.
Ключевые слова: качество электрической энергии, несимметричный режим, однофазные потребители, потери электрической энергии.
Modelarea regimului asimetric al retelei aeriene electrice satesti 0,38/0,22 KV
Universitatea Nationala Agrara din Harcov, Piotr Vasilenco U. Svergun, A. Miro^nik
Rezumat: Este propusa metoda compunerii schemelor retelelor petnru calculul regimurilor asimetrice ale reteleor electrice aeriene, 38/0,22 kV si modelarea lor cu ajutorului produsului software Electronic Workbench. Cuvinte-cheie: calitatea energiei electrice, regimul asimetric, consumatori monofazate pierderi de energie electrica.
DESIGN of ASYMMETRICAL MODE of RURAL AIR ELECTRIC NETWORK 0,38/0,22 KV
Kharkov National Technical University of Agriculture Petr Vasylenko (KNTUA)
U. Svergun, A. Miroshnyk
Abstract: method of networks schemes design is proposed for the calculation of the asymmetrical modes of air electric networks 0,38/0,22 kV and their design with the help of Electronic Workbench software.
Keywords: electric energy quality, asymmetrical mode, monophase users, losses of electric energy.
Эффективность использования электрической энергии определяется в основном созданием таких условий её потребления, при которых обеспечивается требуемое качество электрической энергии и минимум потерь. Актуальность проблемы улучшения качества и уменьшения потерь электрической энергии особенно возрастает в сельских электрических сетях напряжением 0,38/22 кВ.
Одним из способов достижения поставленной цели является соблюдение требований ГОСТ 13109-97, который регламентирует нормы качества электрической энергии [1]. К одним из основных показателей качества электрической энергии в сетях
0,38/0,22 кВ относят величину отклонения напряжения от номинального (U = ± 5 %) и значения коэффициентов несимметрии напряжения обратной и нулевой последовательностей, которые не должны превышать 2 % [1].
Качество электрической энергии у потребителей, наряду с надёжностью электроснабжения, является одним из основных показателей режима работы сети. Низкое качество электрической энергии оказывает существенное влияние на техникоэкономические характеристики элементов сети и электроприёмников. При ухудшении качества напряжения, происходит снижение эксплуатационной надёжности электродвигателей, возникает ряд отрицательных электромагнитных явлений в сетях, увеличиваются дополнительные потери электрической энергии, обусловленные несимметрией токов.
Однако, для правильной оценки эффективности использования энергии необходим более глубокий анализ режимов работы сельских сетей 0,38/0,22 кВ, а также разработка совершенных методов расчёта показателей качества электрической энергии.
Многочисленные исследования, посвященные анализу режимов работы сельских сетей напряжением до 0,38/22 кВ [2], показали, что несимметрия токов обусловлена работой коммунально-бытовой нагрузки, основную часть которой составляют
неравномерно распределённые по фазам однофазные электроприёмники, имеющие случайный характер включения.
Линию 0,38/0,22 кВ с равномерно распределенными по фазам однофазными потребителями различной мощности (рис. 1) можно рассматривать как линию с несколькими распределенными симметричными трехфазными приемниками, образованными тремя группами однофазных приемников различной мощности, соединенных "звездой", нулевая точка которых присоединена к нулевому проводу.
Рис. 1. Линия с равномерно распределенными по фазам однофазными потребителями
различной мощности
Любой несимметричный трехфазный приемник можно заменить эквивалентным симметричным трехфазным приемником и двумя разными по мощности однофазными потребителями, которые включены на фазные напряжения. Условием эквивалентности такой замены является равенство напряжений и токов на зажимах потребителей, а для эквивалентных схем несимметричных трехфазных потребителей и равенство комплексов пульсирующих мощностей [3]. В общем случае несимметричной трехфазной системы фазных напряжений иА, ив, ис на зажимах несимметричного приемника будем иметь следующие выражения для фазных токов [4]:
1а = ЦАУНА, , = ЦВУНВ, , = ис¥нс, (1)
где ил, ив, ис - фазные напряжения;
^нл , ¥нв, Унс - проводимости фазных проводов.
Заменим каждую группу из трех однофазных потребителей, присоединенных к фазным и нулевому проводу линии 0,38/0,22 кВ и расположенных на одном расстоянии от источника ЭДС, симметричными потребителем и двумя однофазными потребителями различной проводимости, присоединенными к двум наиболее нагруженным фазам линии в одной точке с выделенными трехфазными симметричными потребителями. Тогда будем иметь схему, представленную на рис. 2.
Рис. 2. Схема линии с выделенными симметричными трехфазными приемниками и разными по мощности однофазными потребителями
Если пренебрегать проводимостями фазных проводов (УАл = 83 См) и заменить три трехфазных симметричных потребителя с проводимостями ^ = 0,6УН одним симметричным потребителем с проводимостями каждой фазы, равными 1,8УН, то получаем схему, которая имеет вид, приведенный на рис. 3.
Рис. 3. Замена трех трехфазных симметричных потребителей одним симметричным потребителем с проводимостями каждой фазы, равными 1,8Ун
В полученной схеме так же можно выделить еще один симметричный трехфазный потребитель и получить схему (рис. 4) с распространенными вдоль линии однофазными потребителями, которые и будут определять уравнительный ток на участках нулевого провода.
Рис. 4. Схема с распределенными вдоль линии однофазными потребителями
Симметричный трехфазный приемник обычно представляет собой соединение трех одинаковых однофазных приемников в "звезду", нулевая точка которой присоединена к нулевому проводу в локальной точке линии 0,38/0,22кВ. Наряду с этим можно рассматривать рассредоточенный симметричный трехфазный приемник состоящий из 3N однофазных приемников различной мощности в каждой фазе. Участок трехфазной воздушной линии с нулевым проводом длиной 105 м представляет собой три опоры с присоединенными разной мощности тремя однофазными приемниками. Если суммарные проводимости приемников, присоединенных к каждой фазе одинаковы, то в фазных проводах со стороны источника питания будут протекать равные токи, а ток в нулевом проводе практически будет равен нулю. В нулевом проводе на участках 1 -2 и 2-3 будут протекать уравнительные токи, зависящие от величины токов однофазных потребителей, присоединенных в одной точке линии к разным фазам. На участке 0-1 в фазных проводах будут протекать одинаковые токи, а ток в нулевом проводе практически будет отсутствовать.
Рассмотрим конкретный пример. Нами осуществлено моделирование режимов сети 0,38/0,22 кВ с помощью компьютерной программы Electronic Workbench [5], расчетная схема сети приведена на рис 5. При этом схема замещения линии 0,38/0,22 кВ (рис. 5) выполнена трехфазной с источником, который представляет собой три однофазных источника напряжения, соединенных "звездой", начальные фазы синусоид которых равны соответственно 0, 120, 240 градусов, сопротивления алюминиевых проводов представлены рядом последовательно соединенных активных и реактивных сопротивлений участков воздушной линии (R = 0,012 Ом, X = 0,011 Ом для провода АС-35) между точками присоединения потребителей (для воздушных линий это расстояние между опорами), потребители включены между одним из фазных проводов и нулевым проводом, сопротивления нагрузки потребителей имеют следующие значения: 20 Ом, 30 Ом, 40 Ом, что соответствует статистике разброса значений неравномерности нагрузок фаз в сетях с однофазными потребителями [6]. Потребители различной мощности подключены таким образом, что по отношению к шинам подстанции 10/0,4 кВ линия 0,38/0,22 кВ представляет собой линию с симметричной нагрузкой. На приведенной на рис. 5 схеме смоделирован полнофазный участок линии длиной 105 м (три опоры, к каждой присоединены три однофазных потребителя). В табл. 1 приведены потери на каждом участке в фазных и нулевом проводе [7, 8].
220 V/50 Hz/0 Deg
____________________ U.lJIi uni
------{+/)----------|l 23.77 A I------------------VW
22(1 V/50 Hz/120 Deg
. ____________ U.UIZ uni
(I—(V)-|l 23.so Al|--------------WV
0.012 Ohm 0.035 uH yWY\_
0.012 Ohm 0.035 uH
3.27 A |--VVV------^чтт_
0.012 Ohm 0.035 uH
0.012 Ohm 0.035 uH
) V/50 Hz/240 Deg
"—{+?)--------|l 23.78 Al|-------WV
0.012 Ohm 0.035 uH
/YYY%_
31.07m A l|-----Wv
0.012 Ohm 0.035 uH
/YY^_____
0.012 Ohm 0.035 uH
0.012 Ohm 0.035 uH
-YA----------"YY^-
0.012 0hm0.035 uH
-|| 4.B16 ДЇ]---------------VVv—
2
0.012 Ohm 0.035 uH
0.012 Ohm 0.035 uH
0.012 0hm0.035 uH
3
'V' V V
участок 0-1 (1/3 линии) участок 1-2 (1/3 линии) участок 2-3 (1/3 линии)
Рис. 5. Моделирование режимов сети 0,38/0,22 кВ с помощью компьютерной
программы Electronic Workbench
Таблица 1
Распределение потерь в проводах на участках
Провод Участок 0-1 Участок 1-2 Участок 2-3
Фаза А 6,78 Вт 4,01 Вт 1,44 Вт
Фаза В 6,78 Вт 1,97 Вт 0,64 Вт
Фаза С 6,78 Вт 3,25 Вт 0,36 Вт
Нулевой провод - 0,28 Вт 0,28 Вт
Величина потерь в % в нулевом проводе по отношению к потерям в фазных проводах - 2,9 % 10,3 %
Векторные диаграммы токов в нулевом проводе для узлов присоединения трех однофазных потребителей и участков сети показаны на рис 6. В приведенном примере условно разделили трехфазную линию (рис. 5) с однофазными потребителями на три равных участка и каждую 1/3 часть линии нагрузили разными фазными токами (потребителями). Проанализировав изменение токов в нулевом проводе, можно увидеть, что на первом от шин подстанции участке, длина которого составляет 1/3 длины линии, ток в нулевом проводе будет отсутствовать, а на 2/3 длины линии будут протекать уравнительные токи. Это объясняется тем, что в точки 1, 2 и 3 нулевого провода (рис. 5) будут подтекать одинаковые по величине токи, но так как векторы этих токов имеют разные направления (углы поворота 1200), то их векторная сумма на участке 0-1 будет равняться нулю (рис. 6).
І2-3
/
а - векторная сумма токов, подтекающих в нулевой провод от трех однофазных нагрузок, подключенных в точку 3
б - ток І2-3= І03, протекающий на участке 2-3
І1-2 І2-3
У
в - векторная сумма токов, подтекающих в нулевой провод от трех однофазных нагрузок, подключенных в точку 2
г - ток І12, протекающий на участке 1-2
І1-2
\
І01
д - векторная сумма токов, подтекающих в нулевой провод от трех однофазных нагрузок, подключенных в точку 1
е - ток 101 равен току 11-2 и имеет противоположное направление, поэтому на участке 0-1 ток отсутствует
Рис. 6. Распределение токов в узлах присоединения однофазных потребителей (на
одной опоре) и на участках сети
В
Моделирование линии 0,38/0,22 кВ с тремя однофазными потребителями различной мощности в каждом узле присоединения, то есть на каждой опоре, показало, что только на расстоянии 1/3 длины линии от шин подстанции токи в фазах ВЛ вследствие случайного характера включения и отключения потребителей практически выравниваются, вследствие чего ток в нулевом проводе на этом участке отсутствует, при этом в нулевом проводе на 2/3 его длины текут уравнительные токи при полной симметрии токов на зажимах трансформатора 10/0,4 кВ, которая обеспечивается одинаковой по фазам суммарной нагрузкой однофазных потребителей разной мощности в сети. На каждом следующем аналогично выделенном участке линии (три опоры, к каждой из которых присоединены три однофазных потребителя) может наблюдаться такое же распределение токов, то есть - возможен режим, когда между точками присоединениями в нулевом проводе будут протекать уравнительные токи, а на каждом третьем участке нулевого провода, аналогичном участку 0-1 ток в нулевом проводе будет отсутствовать.
Нами рассмотрен идеализированный вариант сети, где суммарная нагрузка трех фаз одинакова, но на участке в каждой из точек присоединения трех однофазных потребителей их мощности разные. В реальной ВЛ практически не бывает симметрии нагрузок в любой момент времени в любой точке сети. В то же время очень часто токи в нулевом проводе на головном участке линии могут быть (в результате описанных выше режимов) значительно меньше, чем токи в нулевом проводе на отдельных участках по всей длине линии.
Выводы
Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38/0,22 кВ тесно связано с решением проблемы снижения несимметрии токов в этих сетях. Проведенный анализ показал, что даже при равномерном распределении однофазных потребителей между фазами вдоль линии и полной симметрии фазных токов и отсутствии тока в нулевом проводе на шинах подстанции 10/0,4 кВ на 2/3 длины нулевого провода протекают уравнительные токи, которые вызывают дополнительные потери мощности. Эти потери на сегодняшний день не учитываются и могут быть уменьшены за счет создания симметричного режима не только на шинах подстанции, но и на участках линии
0.38.0,22 кВ или применением симметрирующих устройств, обеспечивающих переключение однофазных потребителей с наиболее нагруженной фазы на наименее нагруженную.
Литература
1. ГОСТ 13109-97. Норми якості електричної енергії в системах електропостачання загального призначення.
2. Левин М. С., Лещинская Т. Б. Анализ несимметричных режимов сельских сетей 0,38 кВ. - Электричество, 1999, №5. - С. 18 - 22.
3. Шидловский А. К., Мостовяк И. В., Кузнецов В. Г. Анализ и синтез фазовращательных преобразовательных цепей. Киев, «Наукова думка» 1979г. - 244 С.
4. Косоухов Ф. Д. Расчет падений напряжений и потерь мощностей в сельских распределительных сетях при несимметрии токов. ЛСХИ, Л. 1982г. - 74 С.
5. Панфилов Д. И., Иванов В. С., Чепурин И. Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: практикум на Electronic Workbench: В 2 т. / Под общей ред. Д. И. Панфилова - Т. 1: Электротехника. - М.: ДОДЭКА, 1999. - 304 С.
6. Делягин В. Н. Анализ несимметрии в сельских электрических сетях Новосибирской области. - В кн.: Механизация и электрификация сельского хозяйства в условиях специализации и концентрации производства. Новосибирск, 1978, с. 68 - 72.
7. Косоухов Ф. Д. Потери мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке. - Техника в сельском хозяйстве, 1988. - №3, с. 5-8.
8. Militaru P. Influenta gradului de nesimetrie a sarsinilor asupra pierdeilor de putere in retelele de joasa tensinne - Energetica, 1967, № 4, s. 47-59.
Сведения об авторах.
Свергун Юрий Федорович - к.т.н., профессор кафедры электроснабжения и энергетического менеджмента учебно-научного института энергетики и компьютерных технологий Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. П. Василенка. Сфера научных интересов: электрические сети и системы и управление ими, моделирование процессов в энергетике. Email: Uriysv@mail.ru
Мирошник Александр Александрович - к.т.н., доцент кафедры автоматизации и компьютерноинтегрированных технологий учебно-научного института энергетики и компьютерных технологий Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. П. Василенка. Сфера научных интересов: электрические сети и системы и управление ими, моделирование процессов в энергетике. E-mail: Miroshnyk@rambler.ru
