CC BY
29
Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 3 (55). С. 33-38. Don agrarian science bulletin. 2021; 3 (55): 33-38.
Научная статья УДК 621.316
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УРОВНЕЙ НЕСИММЕТРИИ И ВЫСШИХ ГАРМОНИК НА ТОК В НУЛЕВОМ РАБОЧЕМ ПРОВОДНИКЕ СЕТИ 0,38 кВ
Михаил Анатольевич Юндин1, Олег Валентинович Кобзистый1, Евгений Викторович Рудь2
1Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, Зерноград, Россия, achgaa@achgaa.ru
2Энергетический институт повышения квалификации Публичного акционерного общества энергетики и электрификации Кубани, Краснодарский край, Россия, director@eipk.ru
Аннотация. Одной из проблем современных систем сельского и городского электроснабжения является присутствие в огромном количестве нелинейных нагрузок, которые генерируют в трехфазную четырехпроводную сеть напряжением 0,38 кВ токи высших гармоник. Однофазное включение нагрузок и их случайное электропотребление приводят к другой проблеме вышеуказанных систем электроснабжения, а именно - к появлению токов несимметрии. При протекании по трехфазной четырехпроводной сети несинусоидальных и несимметричных токов возникают дополнительные падения напряжения на элементах электрической сети и, как следствие, на стороне низкого напряжения трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ устанавливаются несимметричные фазные напряжения. Большая часть силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ имеет схемы соединения обмоток «звезда/звезда с нулем», которые не препятствуют прохождению токов нулевой последовательности и токов высших нечетных гармоник, особенно кратных трем. Указанные причины снижают качество и эффективность передачи электрической энергии. В работе исследуются закономерности влияния нелинейных нагрузок на соотношение основных составляющих тока в нулевом рабочем проводе трехфазной четырехпроводной сети напряжением 0,38 кВ. Результаты проведенных исследований будут полезны разработчикам технических средств, снижающих уровень несимметрии и несинусоидальности токов в четырехпроводных электрических сетях. На основании выполненных исследований установлены закономерности, характерные для четырехпроводной электрической сети 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой - основная токовая нагрузка на нулевой рабочий провод в четырехпроводной электрической сети создают токи нулевой последовательности основной частоты и токи высших нечетных гармоник кратные трем, при соизмеримости токовой нагрузки нулевого проводника с токовой нагрузкой линейных проводников сети доминирующей частотой тока в нулевом проводе оказывается частота 150 Гц, и в линейных проводниках четырехпроводной электрической сети коэффициенты третьих гармонических составляющих токов оказываются больше по величине коэффициента несимметрии тока нулевой последовательности основной частоты.
Ключевые слова: четырехпроводная сеть, ток в нулевом рабочем проводе сети, кратности высших гармоник тока, коэффициент несимметрии тока по нулевой последовательности, коэффициент третьей гармонической составляющей тока
Для цитирования: Юндин М.А., Кобзистый О.В., Рудь Е.В. Оценка влияния уровней несимметрии и высших гармоник на ток в нулевом рабочем проводнике сети 0,38 кВ // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 3 (55). С. 33-38.
Original article
ESTIMATION OF THE EFFECT OF THE LEVELS OF ASYMMETRY AND HIGHER HARMONICS ON THE CURRENT IN THE ZERO WORKING CONDUCTOR OF THE 0,38 kV NETWORK
Mikhail Anatolyevich Yundin1, Oleg Valentinovich Kobzistiy1, Evgeniy Viktorovich Rud2
1Azovo-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia, achgaa@achgaa.ru
2Energy Institute of Advanced Training of Public Joint Stock Company of Power Engineering and Electrification of Kuban, Krasnodar region, Russia, director@eipk.ru
Abstract. One of the problems of modern systems of rural and urban power supply is the presence in a huge number of nonlinear loads that generate high-harmonic currents in a three-phase four-wire network with a voltage of 0,38 kV. Single-phase switching of loads and their accidental power consumption lead to another problem of the above-mentioned power supply systems, namely, to the appearance of unbalanced currents. When non-sinusoidal and unbalanced currents flow through a three-phase four-wire network, additional voltage drops occur on the elements of the electrical network and, as a result, unbalanced
© Юндин М.А., Кобзистый О.В., Рудь Е.В., 2021
phase voltages are installed on the low voltage side of transformer substations 6-10/0,4 kV. Most of the 6-10/0,4 kV power transformers have "star / star with zero" winding connection schemes that do not prevent the passage of zero-sequence currents and currents of higher odd harmonics, especially multiples of three. These reasons reduce the quality and efficiency of electric power transmission. The paper studies the regularities of the influence of nonlinear loads on the ratio of the main components of the current in the zero working wire of a three-phase four-wire network with a voltage of 0,38 kV. The results of these studies will be useful for developers of technical means that reduce the level of asymmetry and non-sinusoidal currents in four-wire electrical networks.
Keywords: four-wire network, the current in the zero working wire network, the frequency of higher harmonics of current, the asymmetry coefficient current zero-sequence, factor third harmonic current component
For citation: Yundin M.A., Kobzistiy O.V., Rud E.V. Estimation of the effect of the levels of asymmetry and higher harmonics on the current in the zero working conductor of the 0,38 kV network. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2021; 3 (55): 33-38. (In Russ.)
Введение. Проблемой перегрузки нулевого рабочего провода трехфазной четырех-проводной сети занимаются ученые не только в России [1-7], но и за рубежом [8-11].
Среди основных причин токовой перегрузки нулевого рабочего провода трехфазной четырехпроводной сети можно назвать токи нулевой последовательности и токи высших нечетных гармоник [2, 4, 5, 7]. Эти токи, протекая по линейным проводам четырехпроводной сети и суммируясь в нулевом рабочем проводе, вызывают ряд отрицательных эффектов таких как: дополнительные потери напряжения и электроэнергии [1, 3, 5] в элементах самой сети; нагрев изоляции и сокращение срока службы кабельных линий; ухудшение показателей качества напряжения в точках передачи электроэнергии; рост сопротивления заземляющих устройств
электроустановок; помехи в слаботочных линиях связи.
Методика исследований. В работе выполнены исследования закономерностей токовой перегрузки нулевого рабочего провода сети 0,38 кВ при помощи сертифицированных измерительных приборов «РЕСУРС^2(М)» и «Н10К1 3196». В качестве места подключения измерительных приборов выбрано вводно-распределительное устройство, расположенное у потребителя (рисунок 1). Потребитель характеризуется большим количеством электроприёмников с нелинейными электромагнитными характеристиками (люминесцентные лампы, более 20 одновременно работающих компьютеров и принтеров, сканеры и другая оргтехника). Электроснабжение потребителя осуществлялось от шин 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ отдельной кабельной линией.
т )CJ>U 0/0.4 кВ
п
M
Точка контроля Control point
QF1 QF2 OF3 QF4 QF5
N V Y Y Л
Г Г Г т Г
Рисунок 1 - Место подключения измерительных приборов к сети 0,38 кВ Figure 1 - Place of connection of measuring devices to the 0,38 kV network
Результаты исследований и их обсуждение. Потребитель имел четкий двухступенчатый график потребления электроэнергии. Основная активная нагрузка потреблялась с 8:00 до 17:00 в соответствии с графиком рисунка 2. При этом коэффициент реактивной мощности ^дф) потребителей фазы А (условно) за сутки изменялся в диапазоне от 0,25 до 7,62, на фазе В от 0,33 до 3,37 и на фазе С соответ-
ственно от 0,54 до 3,57. В вечернее и ночное время у потребителя работало дежурное и охранное освещение.
По данным измерений на вводе у потребителя для одной из реализаций, с наибольшим током в нулевой рабочей жиле кабельной линии (рисунок 3), получен спектральный состав гармоник, приведенный в таблице.
soco
7000
бОСО
5000
4000
3000
2000
1000
Время суток, ч Time, h
Рисунок 2 - Суточный график изменения суммарной активной мощности Figure 2 - Daily graph of changes in total active power
Анализ измерений свидетельствует (рисунок 3), что осциллограммы линейных токов 1а(1), ЭД и ю(Ц в дневное время (с 8:00 до 17:00) далеки от синусоидальности. Более того, вместо ожидаемой прямой линии с нулевой амплитудой, осциллограмма тока в нулевой жиле кабельной линии iN(t) по величине соизмерима с токами в линейных проводниках, а по форме
она еще более несинусоидальна с преобладанием частоты 150 Гц.
Исходя из табличных результатов, можно видеть, что в нулевой жиле кабельной линии токи третьей гармоники при максимальных нагрузках даже превосходят ток основной частоты, который обусловлен несимметрией нагрузок на вводе у потребителя.
Рисунок 3 - Листинг с графиком форм кривых токов в проводниках сети 0,38 кВ на вводе у потребителя для одной из реализаций
Figure 3 - Listing with a graph of the curves of currents in the conductors of the 0,38 kV network at the input of the consumer for one of the implementations
Кратности высших гармоник тока на вводе у потребителя Multiplicity of higher harmonics of current at the input at the consumer
Номер гармоники Harmonic number Кратность гармоник тока в проводниках сети 0,38 кВ по отношению к первой гармонике The multiplicity of harmonics of current in the conductors of the network 0,38 kV in relation to the first harmonic
I(v), % в линейном проводе А I(v), % in line wire A I(v), % в линейном проводе В I(v), % in line wire В I(v), % в линейном проводе С I(v), % in line wire С I(v), % в нулевом рабочем проводе N I(v), % in the neutral working wire N
V=1 100,0 100,0 100,0 100,0
v=3 20,6 10,0 29,2 101,5
v=5 8,6 9,1 18,3 26,6
v=7 1,2 6,4 6,1 9,0
v=9 3,1 3,5 4,0 12,9
v=11 3,9 0,7 3,8 5,8
v=13 2,0 2,2 3,9 6,7
v=15 0,8 1,9 2,5 3,8
v=17 1,4 1,3 1,1 1,4
v=19 1,4 1,0 0,9 4,4
v=21 0,6 0,4 1,2 1,7
v=23 1,9 6,7 2,5 1,8
v=25 0,5 0,8 0,6 2,3
При этом кратности 3-их гармоник тока в линейных проводах не одинаковы: в первом проводе (А) - 20,6%, во втором (В) - 10% и третьем (С) - соответственно 29,2%.
Также следует отметить неравенство по фазам в сети 0,38 кВ на вводе у потребителя других гармоник тока более высокого порядка -
5-й, 7-й, 11-й и других, менее значимых (см. таблицу).
Результаты исследований изменений коэффициентов 3-их гармонических составляющих линейных токов Ю(3) и коэффициента несимметрии тока по нулевой последовательности Ш при наибольшем электропотреблении представлены на рисунке 4.
-Koi -Кш(3)
-Щз) Kic(s)
ОГМ^ГОГМчГОСЧчГОГЧчГ mmm^^iûiùiûiÛDiÎDÛD
Время, ч Time, ч
Рисунок 4 - Графики изменения коэффициентов несимметрии тока нулевой последовательности (Koi) и третьих гармонических составляющих токов в линейных проводниках (№а(3), Kib(3), Kic(3))
Figure 4 - Graphs of changes in the unbalance coefficients of the zero sequence current (Koi) and third harmonic components of currents in linear conductors (№а(3), Kib(3), Kic(3))
Анализируя полученные графики, следует отметить, что с 8:00 до 17:00 коэффициенты третьих гармонических составляющих токов в линейных проводниках Юа(3) и Kic(3) по величине практически в течение всего времени превышают коэффициент несимметрии тока нулевой последовательности Koi. И только в линейном проводнике фазы В анализируемые коэффициенты соизмеримо изменяются.
Становится понятным, почему в нулевой жиле кабельной линии на вводе у потребителя доминирует третья гармоническая составляющая тока.
Выводы. На основании выполненных исследований установлены следующие закономерности, характерные для четырехпроводной электрической сети 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой:
- основную токовую нагрузку на нулевой рабочий провод в четырехпроводной электрической сети создают токи нулевой последовательности основной частоты и токи высших нечетных гармоник кратные трем;
- при соизмеримости токовой нагрузки нулевого проводника с токовой нагрузкой линейных проводников сети доминирующей частотой тока в нулевом проводе оказывается частота 150 Гц;
- в линейных проводниках четырехпро-водной электрической сети коэффициенты третьих гармонических составляющих токов оказываются больше по величине коэффициента несимметрии тока нулевой последовательности основной частоты.
Список источников
1. Гудков А.В., Кротков Е.А., Аверьянов К.С. Анализ искажений синусоидальности напряжения и возникновения добавочных потерь электроэнергии в офисно-деловом центре г. Самара // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2014. № 3. С. 26-28.
2. Троицкий А.И., Костинский С.С., Химишев Т.З., Синдецкий В.Ю. Оценка влияния несимметрии и несинусоидальности в линиях уличного освещения на энергоэффективность трансформаторов распределительных сетей // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими. Новочеркасск, 2015. С. 81-88.
3. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шаров Ю.В. Почему качество электроэнергии и надежность электроснабжения неотделимы // Новое в российской электроэнергетике. 2016. № 2. С. 6-22.
4. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Кузнецова Е.С. Новые научные направления в энергосбережении в трехфазных трансформаторах и четырехпроводных линиях при несиметричной, нелинейной и реактивной
нагрузках // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (47). С. 300-309.
5. Самарин Г.Н., Ружьев В.А., Егоров М.Ю. Способы коррекции уровней напряжения и несимметрии напряжений в сетях 0,4 кВ // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (49). С. 279-286.
6. Дед А.В., Сикорский С.П., Смирнов П.С. Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). C. 60-64.
7. Юндин М.А., Лукин В.В., Рудь Е.В. Результаты исследования нагрузочного режима работы нулевого рабочего провода сети 0,38 кВ // Вестник аграрной науки Дона. 2019. № 1 (45). С. 18-24.
8. Tymchuk S.A., Miroshnyk A.A. Quality assessment of power in distribution networks 0,38/0,22 kV in the fuzzy form: materials of the II inter. scien. conf. // Global Science and Innovation. Chicago, USA. 2014. Vol. II. Р. 288-299.
9. Pezeshki H., Wolfs P.J. Consumer phase identification in a three phase unbalanced LV distribution network // ISGT, Europe, 2012. Р. 1-7.
10. Demoulias C. [et al.] Ampacity of low-voltage power cables under nonsinusoidal currents // IEEE Transactions on Power Delivery. 2004. Vol. 22. Issue 1. Р. 584-594.
11. Tofoli F.L., Sanhueza S.M.R., A. de Oliveira. On the study of losses in cables and transformers in nonsinusoi-dal conditions // IEEE Transactions on Power Delivery. 2006. Vol. 21. Issue 2. Р. 971-978.
References
1. Gudkov A.V., Krotkov E.A., Aver'yanov K.S. Analiz iskazheniy sinusoidal'nosti napryazheniya i vozniknoveniya dobavochnykh poter' elektroenergii v ofisno-delovom tsentre g. Samara (Analysis of voltage sinusoidal distortion and the occurrence of additional power losses in the office and business center of Samara). Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika. 2014; 3: 26-28. (In Russ.)
2. Troitskiy A.I., Kostinskiy S.S., Khimishev T.Z., Sindetskiy V.Yu. Otsenka vliyaniya nesimmetrii i nesinusoi-dal'nosti v liniyakh ulichnogo osvescheniya na energoeffek-tivnost' transformatorov raspredelitel'nykh setey (Evaluation of the effect of asymmetry and nonsinusoidality in the lines of street lighting on the energy efficiency of distribution transformers). Sovremennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi. Novocherkassk, 2015, рр. 81-88. (In Russ.)
3. Kartashev I.I., Tul'skiy V.N., Sharov Yu.V. Pochemu kachestvo elektroenergii i nadezhnost' elektrosnab-zheniya neotdelimy (Why the quality of electricity and reliability of power supply are inseparable). Novoe v rossiyskoy elektroenergetike. 2016; 2: 6-22. (In Russ.)
4. Kosoukhov F.D., Vasil'ev N.V., Kuznetsova E.S. Novye nauchnye napravleniya v energosberezhenii v trekhfaznykh transformatorakh i chetyrekhprovodnykh liniyakh pri nesimetrichnoy, nelineynoy i reaktivnoy nagruzkakh (New scientific directions in energy saving in three-phase transformers and four-wire lines under non-symmetric, nonlinear and reactive loads). Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. 2017; 2 (47): 300-309. (In Russ.)
5. Samarin G.N., Ruzh'ev V.A., Egorov M.Yu. Sposoby korrektsii urovney napryazheniya i nesimmetrii napryazheniy v setyakh 0,4 kV (Methods of correction of voltage levels and unbalance voltages in 0,4 kV networks). Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrar-nogo universiteta. 2017; 4 (49): 279-286. (In Russ.)
6. Ded A.V., Sikorskiy S.P., Smirnov P.S. Rezul'taty izmereniy pokazateley kachestva elektroenergii v sistemakh elektrosnabzheniya predpriyatiy i organizatsiy (The Results of measurements of electric power quality parameters in power supply systems of enterprises and organizations). Omskiy nauchnyy vestnik. 2018; 2 (158): 60-64. (In Russ.)
7. Yundin M.A., Lukin V.V., Rud' E.V. Rezul'taty issle-dovaniya nagruzochnogo rezhima raboty nulevogo rabochego provoda seti 0,38 kV (Results of the study of the load mode of
operation of the zero working wire of the 0,38 kV network). Vestnik agrarnoy nauki Dona. 2019; 1 (45): 18-24. (In Russ.)
8. Tymchuk S.A., Miroshnyk A.A. Quality assessment of power in distribution networks 0,38/0,22 kV in the fuzzy form. Materials of the II inter. scien. conf. Global Science and Innovation. Chicago, USA. 2014; Vol. II: 288-299.
9. Pezeshki H., Wolfs PJ. Consumer phase identification in a three phase unbalanced LV distribution network // ISGT, Europe, 2012, pp. 1-7.
10. Demoulias C. [et al.] Ampacity of low-voltage power cables undernonsinusoidal currents. IEEE Transactions on Power Delivery. 2004; 22 (1): 584-594.
11. Tofoli F.L., Sanhueza S.M.R., A. de Oliveira. On the study of losses in cables and transformers in nonsinusoi-dal conditions. IEEE Transactions on Power Delivery. 2006; 21 (2): 971-978.
Информация об авторах
М.А. Юндин - кандидат технических наук, профессор, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, Зерноград, Россия. Тел.: +7-928-774-73-53. E-mail: m.a.ju@yandex.ru.
О.В. Кобзистый - кандидат технических наук, доцент, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, Зерноград, Россия. Тел.:+7-928-164-53-21. E-mail: ol.kob@mail.ru.
Е.В. Рудь - ректор Энергетического института повышения квалификации Публичного акционерного общества энергетики и электрификации Кубани, Краснодарский край, Россия. Тел.:+7-988-247-83-56. E-mail: director@eipk.ru. 1^1 Михаил Анатольевич Юндин, e-mail: m.a.ju@yandex.ru.
Information about the authors
M.A. Yundin - Candidate of Technical Sciences, Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-928-774-73-53. E-mail: m.a.ju@yandex.ru.
O.V. Kobzistiy - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd, Russia. Phone: +7-928-164-53-21. E-mail: ol.kob@mail.ru.
E.V. Rud - rector of Institution of Energy Institute of Advanced Training of Public Joint Stock Company of Power Engineering and Electrification of Kuban, Krasnodar region, Russia. Phone: + 7-988-247-83-56. E-mail: director@eipk.ru. ijf^l Mikhail Anatolyevich Yundin, e-mail: m.a.ju@yandex.ru.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила в редакцию 06.08.2021; одобрена после рецензирования 09.08.2021; принята к публикации 16.08.2021. The article was submitted 06.08.2021; approved after reviewing 09.08.2021; accepted for publication 16.08.2021.
