CC BY
16
УДК 621.316.1.015
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-8-12
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЯ
В.М. Степанов, И.М. Базыль, А.Ю. Ключникова
Рассмотрено, что при несимметрии напряжений в трехфазных сетях появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы. Способы по снижению несимметрии в сетях заключается в коэффициенте несимметрии напряжения, который не превышает допустимые пределы. Основной причиной возникновения несимметрии напряжения является наличие несимметричных фазных электрических нагрузок.
Ключевые слова: несимметрия напряжения, электрооборудование, снижение несимметрии, систематическая несимметрия, вероятностная несимметрия.
Значительное воздействие на работу электрооборудования, а в особенности на электродвигатели и силовые трансформаторы, оказывает несимметрия напряжений.
Несимметрия напряжения - это несимметрия трёхфазной системы напряжений, которая характеризуется коэффициентом нулевой и обратной последовательности. Основной причиной возникновения несимметрии является наличие несимметричных однофазных электрических нагрузок.
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 %. В свою очередь, нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 380 В - 2,0 и 4,0 %.
Несимметрия бывает двух видов. Первый вид - это систематическая несимметрия, которая определяется неравенством нагрузок по фазам. И второй вид несимметрии - это вероятностная (случайная), соответствующая нагрузкам, происходящим непостоянно, при которых в разное время перегружаются различные фазы в зависимости от случайных причин.
А А
Рис. 1. Векторная диаграмма напряжений и токов при несимметричной нагрузке: а - с нейтральным током; б - без нейтрального провода
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 54149-2010 при оценивании несимметрии напряжения трехфазной сети понимают напряжение (ток) основной частоты (1-я гармоника). В свою очередь, несимметричная система образуется на любой частоте, в частности и частоте высших гармоник. Это нужно принять во внимание при расчетах или измерениях в сети с несинусоидальным напряжением симметричных составляющих напряжений (токов): для начала выделяется основная гармоника напряжения, далее рассчитываются симметричные составляющие.
Электротехнические комплексы и системы
Существует большое количество причин несимметрии напряжений. Основной причиной является несимметрия токов в сети, вызванная нессиметричностью нагрузки по фазам. Большинство промышленных и бытовых электроприемников имеют одно- или двухфазное соединение и присоединяются к сетям 0,38 кВ. Для их питания сети напряжением 0,38 кВ имеют четырехпроводное соединение («звезда» с нейтральным проводом). Без «нулевого» провода использование сети невозможно. При обрыве этого провода происходит авария, которая обусловлена значительной несимметрией напряжения, на отдельных фазах напряжение приближается к междуфазному (380 В), а на других - к нулю.
Несимметрия напряжений также происходит в сетях 6 - 10 кВ вследствие несимметрии нагрузки в сетях 0,38 кВ. Электроприемники, которые подключены к сетям 6 - 10 кВ, имеют трехфазное исполнение. Но некоторые их них способны создавать несимметрию. К ним могут относиться дуговые сталеплавильные печи. Несимметрия из-за неравенства сопротивлений по фазам конструкций линий может происходить в сетях высокого напряжения. Для создания симметрии сопротивлений фаз линии изменяют взаимное расположение проводов отдельных фаз, для чего необходимо построение специальных транспозиционных опор. Конструкции опор данного вида сложны и дорогостояще, к тому же повреждения в них особенно вероятны. В связи с этим, количество опор уменьшают. Это отражается на симметрии напряжений и способствует увеличению надежности электроснабжения.
Другой причиной несимметрии напряжений являются неполнофазные режимы в сетях с изолированной нейтралью. Данные режимы относят к особым, однако они допустимы по эксплуатационным условиям. К ним также относят режимы с замыканием на землю одной из фаз в сетях с изолированной нейтралью.
С помощью симметричными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательности характеризуются несимметрия напряжений (токов). Основной составляющей является именно прямая последовательность. Последовательность задаёт чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочим (номинальным) напряжение сети. Под влиянием напряжений обратной и нулевой последовательности в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Токи не могут совершить полезную работу. Они приводят к уменьшению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Утроение значений токов нулевой последовательности сетей напряжением 0,38 кВ может привести к их перегрузке.
При несимметрии трехфазной системы напряжений возникают токи обратной последовательности, а в четырехпроводных сетях несимметрия приводит к возникновению токов нулевой последовательности.
Токи обратной последовательности приводят к дополнительному нагреву вращающихся машин, при этом они создают вращающий отрицательный момент, снижая производительность приводимых ими механизмов и скорость вращения роторов асинхронных двигателей. Увеличивая скольжения асинхронных двигателей, повышается потребление реактивной мощности и, следовательно, снижается напряжение.
За счет смещения нейтрали, которое обуславливает повышенные сопротивления нулевого провода, создаются опасные условия для использования четырехпроводных сетей напряжением 0,38 кВ с однофазной нагрузкой (сети жилых зданий и поселков, коммунально-бытовые сети). Аварийный режим - режим, который обусловлен обрывом нулевого провода, когда фазные напряжения 220 В повышаются до междуфазных 0,38 кВ или приближаются к их значениям.
В электрических машинах переменного тока при несимметрии напряжений возникают магнитные поля, которые появляются как с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, так и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В конечном итоге возникает тормозной электромагнитный момент и происходит нагрев активных частей машины, в первую очередь ротора, благодаря токам двойной частоты.
В свою очередь в асинхронных двигателях появляются дополнительные потери в статоре. Иногда при проектировании необходимо увеличивать номинальную мощность электродвигателей, не применяя специальных мер по симметрированию напряжения. В синхронных машинах помимо дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации. Из-за этого явления уменьшается срок службы изоляции трансформаторов, батареи конденсаторов и синхронные двигатели понижают выработку реактивной мощности.
Различают несколько способов борьбы с несимметрией напряжения.
Наиболее простым способом, который не требуют огромных затрат, является способ перераспределения однофазных нагрузок. С его помощью можно значительно уменьшить несимметрию токов и напряжений в электросетях с коммунально-бытовой и смешанной нагрузками.
При перераспределени нагрузок потери электрической энергии, обусловленные несимметрией напряжений и токов, могут быть уменьшены на 15 - 20 %. К тому же, повышается качество электроэнергии, а именно такие основные показатели качества как коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжения, отклонение напряжения.
Для уменьшения несимметрии напряжений и токов нужен контроль за состоянием напряжений и токов в распределительной сети 380 В, с помощью их замеров на трансформаторной подстанции.
Другим способом борьбы с несимметрией можно назвать снижение сопротивления нулевой последовательности элементов электросети.
Уменьшение дополнительных потерь мощности, которые обусловлены несимметрией токов в сети 380 В, может быть достигнуто во время снижения сопротивления нулевой последовательности её элементов. Следовательно, при увеличении сечения нулевого провода более чем на 0,75% от сечения фазного провода не произойдет существенное уменьшение дополнительных потерь мощности. По экономическим нагрузкам можно выбрать сечения фазных и нулевого проводов. Фонарный провод используют для снижения сопротивления нулевой последовательности линии. Но этот способ невозможно применить для снижения несимметрии токов. Чтобы снизить сопротивление токов нулевой последовательности сети 380 В можно заменить на трансформатор со схемой соединения обмоток «звезда-зигзаг с нулём». В таких устройствах на каждом сердечнике имеется магнитное равновесие между первичными и вторичными ампер-витками при однофазной нагрузке. Потоки рассеяния, которые создаются полуобмотками, расположенные на общем сердечнике, пропорционально сопротивлению нулевой последовательности вторичной обмотки. При правильной конструкции обмоток этот поток рассеяния можно уменьшить до нуля и индуктивность нулевой последовательности также может быть сведена к нулю.
Кроме того, для соединения обмотки трансформатора «в зигзаг» необходимо большое количество цветного материала. Вес обмотки повышается на 7%, а величина цветного материала - в 1,16 раза. Из этого следует, что при соединении обмотки низшего напряжения «в звезду» на 7 - 8 % меньше, чем при соединении «в зигзаг». Вследствие дополнительных расходов обмоточного провода, по сравнению с трансформаторами с соединением обмоток по схеме «звезда-звезда с нулём», стоимость трансформатора с соединением обмоток по схеме «звезда-зигзаг с нулём» увеличивается на 30%.
Еще одним методом борьбы с несимметрией является метод применения замкнутых и полузамкнутых схем сети 380 В. Во время перевода сети 380 В в режим полузамкнутой или замкнутой сети может получиться снижение несимметрии токов за счёт дополнительного эффекта выравнивания нагрузок фаз. Что касается выравнивания нагрузок по фазам, замыкание линий, которые присоединяются к одному РТ, так как напряжение на клеммах трансформатора при этом одинаково по величине и по фазе для всех линий. Между точками питания для каждой из фаз линии устанавливаются точки токораздела. Чем больше число замыкаемых линий сети низшего напряжения, тем больше эти нагрузки будут выравниваться.
Несимметрию напряжений вдоль линии снижают выравнивания нагрузки фаз в замыкаемых линиях. Положительно отражается на выравнивании нагрузок фаз и перераспределении симметричных нагрузок между участками сети замыкания сети. В это время понижаются потери за счёт разгрузки нулевого и фазных проводов и повышаются качество напряжения.
Также методом борьбы с несимметрией назовем метод поперечной компенсации реактивной мощности. Этот способ применяют, если обеспечивается определённая стабильность несимметрии нагрузок в сети. С помощью несимметричного распределения по фазам мощностей конденсаторных батарей, которые предназначены для компенсации реактивной мощности в электрической сети, можно при увеличении коэффициента мощности добиться восполнение токов обратной последовательности в трансформаторе и линии.
Мероприятия по снижению несимметрии в сетях сводятся в основном к тому, чтобы коэффициент несимметрии напряжения не превышал допустимых пределов.
Электротехнические комплексы и системы Список литературы
1. Несимметрия напряжения [Электронный ресурс] .- URL: http://www.teslafirm.ru/voltage ипЬа1апсе/(дата обращения:02.09.2020).
2. Карташов И.И., Тульский В.Н., Шапонов Р.Г., Шаров Ю.В., Воробьёв А.Ю. Управление качеством электроэнергии // Под ред. Ю. В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 320 с.
3. Шидловский А.К., Борисов Б.П., Вагин Г.Я., Куренный Э.Г., Крахмалин И.Г. Электромагнитная совместимость электроприёмников промышленных предприятий // Под ред. акад. АН Украины А. К. Шидловского. К.: Наукова думка, 1992. 236 с.
4. Жежеленко И.В., Шиманский О.Б. Электромагнитные помехи в системах электроснабжения промышленных предприятий. К.: Вища школа, 1986. 119 с.
Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, eists@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Базыль Илья Михайлович, канд. техн. наук, доцент, 141451@mail.ru, Россия Тула, Тульский государственный университет,
Ключникова Алина Юрьевна, студент, alinka.klyuchnikova@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPROVING THE EFFICIENCY OF ELECTRICAL NETWORKS BY REDUCING VOLTAGE
ASYMMETRY
V.M. Stepanov, I.M. Bazyl, A.Yu. Klyuchnikova
It is considered that with asymmetry of voltages in three-phase networks, additional losses appear in the elements of electrical networks, the service life of lamps and electrical equipment is reduced and the economic indicators of its operation decrease. Ways to reduce the unbalance in networks is the voltage unbalance factor, which does not exceed the permissible limits. The main cause of voltage unbalance is the presence of asymmetrical phase electrical loads.
Key words: voltage unbalance, electrical equipment, unbalance reduction, systematic unbalance, probabilistic unbalance.
Stepanov Vladimir Michailovich, doctor of technical science, professor, eists@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bazyl Ilya Mikhailovich, candidate of technical science, docent, 141451@tula.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Klyuchnikova Alina Yurievna, student, alinka.klyuchnikova@,yandex.ru, Russia, Tula, Tula state University
