CC BY
56
БРНЧ-код: 4216-9920 AuthorГО (РИНЦ): 916641
КОлМОГОРОВ Аркадий Сергеевич, ведущий инженер ООО «Автоматика-сервис», г. Омск. БИРюКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика» ОмГТУ. БРНЧ-код: 9384-0078 AuthorID (РИНЦ): 189467 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Колмогорова С. С., Колмогоров А. С., Бирюков С. В. Измерение степени неоднородности электрического поля // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 45-48. БОН 10.25206/1813-8225-2018-158-45-48.
Статья поступила в редакцию 15.02.2018 г. © С. С. Колмогорова, А С. Колмогоров, С. В. Бирюков
УДК 621.31
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-48-54
а. и. Антонов1 ю. м. денчик2 д. а. зубанов1 н. в. зубанова2
А. А. рУППЕль1
1Омский институт водного транспорта (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта,
г. Омск
2Сибирский государственный университет водного транспорта, г. Новосибирск
моделирование несимметричных режимов работы электрической сети и обработка результатов с помощью программы для ЭВМ
В статье описаны процессы, связанные с появлением несимметрии трехфазной системы напряжения. Описан активный эксперимент на выбранном объекте исследования с несимметричными резкопеременными нагрузками. Обработаны результаты эксперимента с помощью программы для ЭВМ и проведен анализ обработки данных результатов.
Ключевые слова: качество электроэнергии, коэффициент несимметрии напряжения, электромагнитная помеха, резкопеременная нагрузка, электромагнитная обстановка, перегрузки по фазам.
В настоящее время происходит всё более интенсивная электрификация различных регионов Российской Федерации, связанная с нарастанием темпов их освоения. Одним из факторов предъявляемых требований к системам электроснабжения является повышение качества функционирования электрических сетей общего назначения [1]. Качество функционирования определяется степенью соответствия технических средств требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 32144-2013. Многие системы электроснабжения по ряду причин характеризуются некачественной электроэнергией, в результате чего обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств. В связи с этим возникают кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи (ЭМП) в системах электроснабжения. Данные ЭМП раз-
личаются по показателям качества электрической энергии (ПКЭ) [1].
Одним из основных факторов обеспечения электроэнергетической эффективности предприятий является удовлетворение значений ПКЭ установленным нормам. Соответствие этих значений является необходимым условием безопасного применения электрооборудования [2]. Несоответствие норм показателей КЭ может привести к порче дорогостоящего оборудования, нарушениям производственных циклов, выпуску некачественной продукции. Своевременное обнаружение отклонений показателей КЭ от нормы позволяет предотвратить данные негативные последствия.
Согласно ГОСТ 32144-2013, несимметрия трехфазной системы напряжений является одним из видов искажения электрической сети [3]. Основ-
ной причинои несимметричных режимов являются различные условия работы фаз [4]. Такие режимы возникают по различным причинам, зависящим от неполнофазных режимов работы элементов электрической сети, например, при пофазном отключении линий и трансформаторов для ремонта (продольная несимметрия) или из-за значительных несимметричных нагрузок по фазам (поперечная несимметрия) [2].
Несимметрия напряжения характеризуется коэффициентом несимметрии напряжения по обратной последовательности К2и, который является одним из основных показателей качества электрической энергии.
Кондуктивная низкочастотная ЭМП по К2и приводит к ряду негативных последствий, таких как снижение вращающего момента на валу вращающихся машин, вследствие чего их дополнительный нагрев; снижение скорости вращения роторов асинхронных двигателей и производительности приводимых ими механизмов; увеличенное потребление реактивной мощности и, как следствие, увеличение электрических потерь в электрических сетях [2].
Значения К рассчитываются по формуле [5]:
^ =. №1 -Ю0, 1з - ер
(1)
где в
-и4
в свою очередь
(и2 + и2 + и2 )2'
V 12¡ип! т 23¡ип!^ ^ЗИип!/
и\jfund — основная составляющая напряжения между фазами г и /
Установлены следующие уровни ЭМС электрических сетей общего назначения для кондуктивной низкочастотной ЭМП по К2и: значения данного показателя КЭ в точке передачи электрической энергии, усреднённые в интервале 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала и 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю [4].
Объектом исследования в данной работе является литейное производство, в котором литейные установки (а именно, дуговые сталеплавильные печи), конструктивно подключены на две фазы (рис. 1). Данные конструктивные особенности объекта исследования, согласно теории электромагнитных помех [1], должны вызывать поперечную несимметрию.
Дуговые сталеплавильные печи типа ДСП 5 и ДСП 10 следует рассматривать как приёмники электроэнергии с несимметричными электрическими параметрами (комплексными сопротивлениями фаз). При этом явно прослеживается наличие несимметричных нагрузок потребителей электрической энергии (явление поперечной несимметрии), что, согласно [4], ведет за собой появление К2и.
Помимо всего прочего, при работе дуговой сталеплавильной печи часто наблюдается явление переноса мощности из одной крайней фазы в другую. В результате этого одна из дуг имеет пониженные напряжение и мощность («мёртвая» фаза), а другая, наоборот, повышенные («дикая» фаза). В промышленных дуговых печах с симметричной относительно средней фазы (токопроводы расположены в одной плоскости) короткой сетью «дикой» фазой является крайняя опережающая, а «мёртвой» — крайняя отстающая. Неравенство мощностей дуг по
Рис. 1. Структура литейного участка промышленного предприятия
фазам может достигать 50 % [5]. На основании этого можно считать характер такой нагрузки резкопере-менным [6].
Исходя из всего вышесказанного, можно предположить, что при проведении исследований на объекте (а именно, проведение активного эксперимента) должна наблюдаться кондуктивная низкочастотная электромагнитная помеха по К2и.
Для получения необходимых данных об объекте исследования и проведения их последующего анализа и обработки использовался активный эксперимент, который по сравнению с пассивным экспериментом обладает следующими преимуществами:
— разброс опытных данных достаточно большой и среднеквадратичное отклонение оказывается несоизмеримым с ошибками измерения параметров объекта;
— независимыми переменные хг х2, ..., хт не изменяются под действием одних и тех же причин, поэтому исходные данные практически не подвергаются корреляции;
— требования к точности измерений достаточно велики как в условиях обычной эксплуатации объекта, так и при проведении специальных исследований.
Для проведения активного эксперимента построены проблемно-ориентированные математические модели элементов объекта исследования по принципу декомпозиции, на основании которых разработана структура объекта исследования (рис. 1) и её графическая интерпретация (рис. 2). Данный объект состоит из источника питания напряжением 10 кВ, силового понижающего трансформатора ТМЗ 1000-10/0,4, четырех линейных трансформаторов ОЭСК 250/40, четырех установок электрошлакового литья с дуговым способом нагрева (дуговые сталеплавильные печи), работающие при напряжении 40 В, номинальная мощность каждой 170 кВ^А [5].
Для начала исследований примем к сведению тот факт, что нагрузка имеет не только несимметричный, но и резкопеременный характер. В связи с этим, для выявления отклонения качества электроэнергии по К2и в модели объекта исследования используется генератор случайных чисел (ГСЧ), имитирующий изменение значений по нормаль-
и4 + и4
^ 12¡ип! ^ 231ип!
Рис. 2. Графическая интерпретация математической модели объекта исследования
Таблица 1
Значения мощностей нагрузок, линейных напряжений и коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности в сетях 10/0,4 кВ при перегрузке фаз А и В
Мощности нагрузок Линейное напряжение сети 10 кВ Значение К2и в сети 10 кВ, % Линейное напряжение сети 0,4 кВ Значение К2и в сети 0,4 кВ, %
Р1, кВА кВА Р» кВА р4. кВА В и». В идс В идв' В ивс В идс В
170 181 146 202 9394 9528 9844 2,2 354,3 363,8 383,7 3,7
172 182 170 174 9466 9450 9845 2,1 359 358,7 383,9 3,6
204 192 176 185 9384 9400 9848 2,5 353,7 355,4 383,9 4,3
163 138 137 168 9530 9589 9882 1,8 363,3 368 386,4 3,0
205 156 167 195 9422 9483 9821 1,9 356,1 360,8 382,2 3,5
165 198 166 170 9446 9441 9874 2,4 357,7 358,2 385,7 4,0
156 189 172 211 9408 9502 9778 1,8 355,2 361,9 379,4 3,1
141 155 185 155 9596 9499 9821 1,6 367,7 361,8 382,4 2,6
150 154 149 149 9568 9539 9896 1,9 365,7 364,7 387,5 3,2
188 169 165 154 9490 9440 9903 2,4 360,7 358,2 387,6 4,1
181 146 170 138 9580 9465 9890 2,1 366,5 359,8 387,1 3,5
182 170 202 151 9540 9387 9832 2,1 363,8 354,4 383,1 3,6
192 176 174 162 9470 9420 9874 2,4 359,3 356,8 385,8 4,0
138 137 185 172 9605 9556 9768 1,0 368,2 365,4 379,1 1,8
156 167 168 151 9547 9480 9879 1,9 364,4 360,7 386,1 3,4
198 166 195 162 9493 9394 9839 2,2 360,9 354,9 383,4 3,8
189 172 170 181 9439 9457 9849 2,2 357,4 359,1 383,9 3,7
155 185 211 200 9470 9434 9725 1,5 359,2 357,3 376 2,6
154 149 155 176 9527 9564 9838 1,6 363,1 366,2 383,5 2,7
169 165 149 170 9479 9516 9889 2,2 360,1 363,2 386,6 3,6
146 170 154 172 9508 9535 9859 1,9 361,8 364,4 384,9 3,1
170 202 138 204 9345 9507 9870 2,6 351,1 362,5 385,3 4,3
176 174 151 163 9473 9482 9902 2,3 359,5 361 387,7 3,9
137 185 162 205 9441 9544 9792 1,7 357,5 364,7 380,3 2,9
Окончание таблицы 1
Мощности нагрузок Линейное напряжение сети 10 кВ Значение К2П в сети 10 кВ, % Линейное напряжение сети 0,4 кВ Значение К2П в сети 0,4 кВ, %
Р1, кВА кВА Р» кВА Р4' кВА В и». В идс В ид» В ивс В идс В
167 168 172 165 9509 9473 9854 2,0 361,9 360,2 384,5 3,4
166 195 151 156 9462 9452 9924 2,6 358,7 359 389,1 4,4
172 170 162 141 9537 9452 9914 2,3 363,6 359 388,6 3,9
185 211 181 150 9444 9347 9903 2,8 357,5 352 387,6 4,8
149 155 200 188 9544 9500 9738 1,2 364,1 361,7 376,9 2,0
165 149 176 181 9523 9521 9799 1,5 362,3 363,2 380,9 2,6
170 154 170 182 9500 9516 9816 1,7 361,3 362,9 382 2,9
202 138 172 192 9461 9507 9809 1,8 358,9 362,2 381,3 3,0
174 151 204 138 9611 9412 9829 2,0 368,4 356,1 383,1 3,3
185 162 163 156 9506 9464 9889 2,2 361,6 359,7 386,8 3,8
168 172 205 198 9474 9447 9738 1,5 359,5 358,1 376,8 2,6
195 151 165 189 9454 9502 9826 1,9 358,2 362 382,6 3,3
170 162 156 155 9522 9494 9894 2,1 362,7 361,7 387,2 3,6
211 181 141 154 9418 9427 9962 3,0 355,9 357,6 391,5 5,0
155 200 150 169 9443 9474 9900 2,4 357,5 360,5 387,5 4,1
149 176 188 146 9572 9438 9848 2,0 365,9 357,9 384,3 3,3
154 170 181 170 9526 9480 9819 1,7 362,9 360,5 382,2 2,9
138 172 182 176 9534 9503 9798 1,5 363,5 362 380,8 2,6
151 204 192 137 9538 9371 9879 2,5 363,7 353,5 386,3 4,2
162 163 138 167 9491 9544 9902 2,1 360,7 365,1 387,7 3,6
172 205 156 166 9422 9431 9908 2,7 356,1 357,6 388 4,5
151 165 198 172 9545 9465 9786 1,6 364,3 359,4 379,9 2,7
162 156 189 185 9520 9496 9772 1,5 362,5 361,5 379,2 2,5
181 141 155 149 9554 9510 9895 1,9 364,8 362,8 387,4 3,4
200 150 154 165 9482 9488 9590 2,2 360 361,3 386,8 5,8
176 188 169 170 9452 9438 9868 2,3 358,1 358 385,4 4,0
ному закону распределения случайной величины. С помощью данного ГСЧ значения мощностей каждой установки на литейном участке изменялись случайным образом 50 раз. Математическое ожидание в данном блоке установили 170 (номинальная мощность каждой нагрузки), среднеквадратичное отклонение задали равным семи (чтобы обеспечить дисперсию, примерно равную 50). Полученные исходные данные значений мощностей нагрузки с помощью ГСЧ использовали для получения остальных необходимых для исследования параметров.
Так как в объекте исследования существуют четыре дуговые сталеплавильные печи, то полученные значения мощностей распределены во всех 4-х нагрузках в случайном порядке (табл. 1).
Для каждого из 50-ти вариантов значений мощностей нагрузки в ходе активного эксперимента с помощью модели получили значения линейных
напряжений и , ивс и исА. Вышеуказанные исследования проводились для всех вариантов перегрузок трёхфазной трёхпроводной сети 10 кВ и 0,4 кВ, так как несимметрию напряжения вызывает любой из этих вариантов, а именно:
1) 1-й вариант — перегружены фазы А и В;
2) 2-й вариант — перегружены фазы В и С;
3) 3-й вариант — перегружены фазы А и С.
Все полученные с помощью модели значения
мощностей нагрузок и линейных напряжений, а также вычисленные с помощью формулы (1) значения К2и для первого варианта перегрузки сведены в табл. 1. Также получены значения необходимых параметров для второго и третьего вариантов перегрузки, их анализ показал, что они являются эквивалентными первому варианту.
Обработка полученных значений К2и с проводилась с помощью программы для ЭВМ «Обработка
Рис. 3. Результаты обработки значений K2U в сети 0,4 кВ при перегрузке фаз а и В
Рис. 4. Результаты обработки значений К в сети 10 кВ при перегрузке фаз А и В
экспериментальных данных показателей качества электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности». В данной программе рассчитаны параметры закона распределения исследуемой случайной
величины, а также определены вероятности появления кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности при данных массивах значений К2и [7]. На данную программу для ЭВМ
Таблица 2
Результаты обработки значений К, в сетях 10/0,4 кВ при разных вариантах перегрузки
№ п/п Параметры Перегружены фазы А и В Перегружены фазы В и С Перегружены фазы А и С
Сеть 0,4 кВ Сеть 10 кВ Сеть 0,4 кВ Сеть 10 кВ Сеть 0,4 кВ Сеть 10 кВ
1 Максимальное значение K % K2U max' % 5,8 3,0 6,7 3,9 6,7 3,9
2 Минимальное значение K2u „»' % 1,8 1,0 3,4 2,0 3,1 1,7
3 Математическое ожидание M[K2U], % 3,48 2,03 4,79 2,83 4,56 2,62
4 Среднеквадратичное отклонение 8\кл ], % 0,76 0,41 0,71 0,41 0,71 0,44
5 Вероятность выхода за нормально допустимое значение КиН % 72 56 12 100 16 96
6 Вероятность выхода за предельно допустимое значение K2Un, % 26 0 88 0 84 0
7 Вероятность кондуктивной ЭМП по нормально допустимому значению K2U % 67 51 7 95 11 91
8 Вероятность кондуктивной ЭМП по предельно допустимому значению K2U' % 26 0 88 0 84 0
9 Вероятность кондуктивной ЭМП K2U % 93 51 95 95 95 91
получено свиделельство о государственной регистрации [8].
Программа для ЭВМ, разработанная средствами LabV[EW, имеет удобный интерфейс и позволяет получить все необходимые значения для оценки результатов измерений ПКЭ. Отличительными особенностями данной среды программирования по сравнению с подобными средствами являются: интуитивно понятная графическая среда, не требующая глубоких знаний программирования; большое количество готовых модулей для моделирования физических процессов; возможность представления физических процессов передаточными функциями; совместимость с Ма^аЬ ^тиИпк); большое количество виртуальных приборов и средств управления; автоматизация расчетов и вывода их результатов (графики, диаграммы, осциллограммы, гистограммы и т.д.) [7]. Интерфейс результатов обработки значений К2и в сетях низкого и среднего напряжения для первого варианта перегрузки представлены на рис. 3 — 4.
Для наилучшего восприятия сравнительного анализа результатов обработки значений коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности, все полученные значения для сетей 10/0,4 кВ при разных вариантах перегрузки фаз сведены в табл. 2.
Анализ полученных данных показывает, что во всех вариантах перегрузки в сетях как низкого, так и среднего напряжения присутствует вероятность выхода за нормально допустимое значение коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности и вероятность кондук-тивной низкочастотной ЭМП по нормально допу-
стимому значению, а следовательно, и вероятность кондуктивной ЭМП по данному коэффициенту.
Однако в сети 10 кВ для всех вариантов перегрузок значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения ниже, чем в сети 0,4 кВ. Также в сети 10 кВ, в отличие от сети 0,4 кВ, для всех вариантов перегрузок вероятность выхода за предельно допустимое значение коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности равна нулю. Следовательно, вероятность кондуктивной ЭМП по предельно допустимому значению коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности в сети 10 кВ также равна нулю. Это свидетельствует о том, что, согласно теории о критерии распределения в электроэнергетической системе кондуктивных низкочастотных ЭМП в смежную сеть, помеха, переходящая из одной смежной сети в другую (в нашем случае от сети 0,4 кВ в сеть 10 кВ) гасится в силовом трансформаторе на определенное значение коэффициента [9-10].
Библиографический список
1. Данилов Г. А., Денчик Ю. М., Иванов М. Н., Ситников Г. В. Повышение качества функционирования линий электропередачи: моногр. / под ред.: В. П. Горелова, В. Г. Сальникова. Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. водн. транспорта, 2013. 559 с. ISBN 978-5-8119-0530-0.
2. Машкин А. Г., Машкин В. А. Проблемы качества и учёта электроэнергии на границах системы тягового электроснабжения // Промышленная энергетика. 2007. № 11. С. 29 — 31.
3. Ситников Г. В. Повышение качества функционирования электрических сетей общего назначения с низкими ин-
тегральными характеристиками в регионах с суровым климатом: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.02. Новосибирск, 2014. 167 с.
4. Соколов М. М. Совершенствование методов контроля состояния электротехнического комплекса электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. Омск, 2010. 163 с.
5. Антонов, А. И., Вишнягов М. Г., Денчик Ю. М., Зуба-нов Д. А., В. И. Клеутин, Руппель А. А. Определение кон-дуктивной низкочастотной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности // Научные проблемы Сибири и Дальнего Востока. 2015. № 4. С. 199-203.
6. Наумов И. Оптимизация несимметричных режимов системы сельского электроснабжения (теоретические обобщения): моногр. / ред. В. И. Тесля. Иркутск, 2001. 217 с.
7. Суранов А. Я. LabVIEW 8.20. Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 536 с. ISBN 5-94074-207-6.
8. A. c. № 2016661752 Российская Федерация. Обработка экспериментальных данных показателей качества электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности: прогр. для ЭВМ / Антонов А. И., Денчик Ю. М., Зубанов Д. А., Зубанова Н. В., Иванов Д. М. Руппель А. А., Сальников В. Г. № 2016619225; заявл. 30.08.16; опубл. 20.11.16.
9. Рягузов М. И. Система автоматизации проектирования устройств управления промышленными установками первичной переработки нефти: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12. Омск, 2011. 187 с.
10. Иванова Е. В. Кондуктивные электромагнитные помехи в электроэнергетических системах / под ред.: В. П. Горелова, Н. Н. Лизалека. Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2006. 432 с. ISBN 5-8119-0201-0.
рудование» Омского института водного транспорта (ОИВТ) (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта. БРНЧ-код: 5682-8929 АиШогГО (РИНЦ): 842787
ДЕнчИК юлия Михайловна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» Сибирского государственного университета водного транспорта (СГУВТ).
ЗуБАнОВ Дмитрий Александрович, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ. БРНЧ-код: 7998-0625 АиШогГО (РИНЦ): 573576
ЗуБАНОВА Наталья Валерьевна, аспирантка кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» СГУВТ.
РуППЕль Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование» ОИВТ (филиал) СГУВТ. БРНЧ-код: 3386-9834 АиШогГО (РИНЦ): 423886
Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Антонов А. И., Денчик Ю. М., Зубанов Д. А., Зубанова Н. В., Руппель А. А. Моделирование несимметричных режимов работы электрической сети и обработка результатов с помощью программы для ЭВМ // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 48-54. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-48-54.
АНТОНОВ Александр Игоревич, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электрообо-
Статья поступила в редакцию 29.01.2018 г. © А. И. Антонов, ю. М. Денчик, Д. А Зубанов, н. В. Зубанова, А а. Руппель
