CC BY
74
УДК 621.316.925.001.4 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-53-61
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ РЕТРОФИТА УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПРИ УСТАНОВКЕ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ, А ТАКЖЕ ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОТЕРИ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТРАНСФОРМАТОРАХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
ADVANTAGES AND LACKS MODERNIZATION OF STREET LIGHT AT INSTALLATION OF LIGHT-EMITTING DIODE LIGHTINGS, AND AS THEIR INFLUENCE ON LOSSES OF ACTIVE POWER IN TRANSFORMERS OF DISTRIBUTIVE NETWORKS
© 2016 г. А.И. Троицкий, С.С. Костинский, В.И. Власенко, Т.З. Химишев
Троицкий Анатолий Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение и электропривод», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-56-50.
Костинский Сергей Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электроснабжение и электропривод», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-56-50. E-mail: [email protected]
Власенко Вячеслав Иванович - директор муниципального унитарного предприятия «Майкопские городские электрические сети» муниципального образования «Город Майкоп», г. Майкоп, Россия. Тел. (8772) 23-22-27.
Химишев Тимур Заурович - аспирант, кафедра «Электроснабжение и электропривод», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Troitsky Anatoly Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electro Supply and the Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-56-50.
Kostinsky Sergey Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electro Supply and the Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-56-50. Email: [email protected]
Vlasenko Vyacheslav Ivanovich - director of the municipal unitary enterprise «Maikop city electric networks» of municipal union «City of Maikop», Maikop. Ph. (8772) 23-22-27.
Khimishev Timur Zaurovich - post-graduate student, department «Electro supply and the Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Приводится обзор о ретрофите уличного освещения. Указаны преимущества и недостатки светодиодных светильников. Особое внимание уделено влиянию светодиодных светильников, устанавливаемых при их ретрофите, на потери в трансформаторах распределительных сетей. Приведены функциональные зависимости, позволяющие рассчитать величину дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах распределительных сетей от несимметричной и несинусоидальной нагрузки. В качестве исходных данных для расчета потерь необходимы данные о сопротивлениях нагрузки для каждой фазы. Активное и индуктивное сопротивления обмоток ВН и НН, а также намагничивающей ветви трансформатора считаются известными для трансформатора заданной мощности. Использование сопротивлений в качестве исходных данных для расчета обусловлено тем, что отсутствует необходимость в использовании углов сдвига между током и напряжением в каждой фазе связанной трехфазной цепи. Для расчета потерь от несинусоидальной нагрузки также необходимы измеренные значения тока п-й гармоники, поэтому, наряду с контролем качества напряжений по ГОСТ 32144-2013, возникает необходимость комплексно контролировать показатели качества токов. Для каждого трансформатора распределительной сети отдельно рассчитывают и оценивают влияние несимметрии и несинусоидальности нагрузки электропотребителей, и на основании проведенных расчетов дают рекомендации по снижению потерь в нем.
Ключевые слова: несимметрия; компенсация реактивной мощности; светодиодный светильник; ретрофит; уличное освещение; высшие гармоники; трансформаторы распределительных сетей; потери активной мощности.
The provisions. In article the review about modernization street light is resulted. Advantages and lacks of light-emitting diode lighting are specified. The special attention is given influence of the light-emitting diode lighting established at them modernization, on losses in transformers of distributive networks. The functional dependences are resulted, allowing to calculate size of additional losses of active power in transformers of distributive networks from asymmetrical and not sinusoidal loading. As initial data for calculation of losses about resistance of loading data are necessary for each phase. Active and inductive resistance of windings the higher voltage and the lowest voltage, and also a magnetizing circuit of the transformer are considered known for the transformer of the set power. Use of resistance as initial data for calculation is caused by that there is no necessity for use of corners of shift between a current and voltage in each of the connected three-phase circuit. The measured values of a current of n-th harmonic are necessary for calculation of losses from not sinusoidal loading as, therefore, along with quality assurance of voltage in accordance with GOST 32144-2013, there is a necessity in a complex to supervise indicators of quality of currents. For each transformer of a distributive network it is necessary count and estimate separately influence of asymmetry and not sinusoidal loadings of electro consumers, and on the basis of the spent calculations give recommendations about decrease in losses in it.
Keywords: asymmetry; indemnification of reactive power; the light-emitting diode lighting; modernization; street light; upper harmonics; transformers of distributive networks; active power losses.
Введение
Ремонт коммутационной аппаратуры (выключателей, отделителей, короткозамыкателей) не всегда можно выполнить: поскольку выпускавшиеся ранее её образцы сняты с производства. В условиях недостатка капиталов оптимальным решением является ретрофит (модернизация, реконструкция) электрооборудования. Ретрофит - сравнительно недавно появившийся технический термин, означающий продление срока эксплуатации электрооборудования путём замены наиболее ответственных узлов, либо его модернизацию, предусматривающую добавление новой технологии или её свойств к более старым системам.
Основы ретрофита в своё время были заложены в России фирмой «Таврида Электрик», разработавшей вакуумные выключатели, превосходящие по своим параметрам зарубежные аналоги, более дорогие, чем обычные выключатели. В целях продвижения своего оборудования на рынке в условиях неблагоприятной экономической ситуации фирма разработала сотни вариантов по замене выработавших свой ресурс масляных выключателей распределительных устройств различной конструкции. В настоящее время большинство заводов - поставщиков оборудования имеют в составе конструкторских отделов подразделения ретрофита.
При ретрофите затраты минимальны, малые время и объём монтажных работ без изменения принципиальной схемы питания и с сохранением её работоспособности. Новая подстанция -это большие затраты: проектирование, покупка оборудования новой, демонтаж оборудования
старой подстанции, монтаж и наладка вновь сооружаемой подстанции.
Сегодня широко апробированы следующие направления ретрофита:
- замена выключателей, контакторов стационарного или выкатного исполнения, длительно находившихся в эксплуатации, морально устаревших, на новые;
- модернизация релейных шкафов распределительных устройств;
- замена ручных механизмов управления разъединителями, выключателями нагрузки, заземляющих ножей на управление двигательным приводом.
По аналогии с реконструкцией оборудования подстанций осуществляют ретрофит уличного освещения (УО), суть которого заключается в установке светодиодных светильников (СС) вместо светильников с металлогалогенными лампами (МГЛ).
Постановка задачи
Потери активной мощности в модуле «линия УО любой конфигурации - нагрузка» состоят из двух составляющих: ДРа - за счёт пропусков активной и ДРр - реактивной мощностей [1]:
P 2 + О 2
AP = АРа +АРр Дэл, (1)
и 2
где Р2 - средняя за время измерений активная мощность, передаваемая по линии УО, измеряется по счетчику путём деления разности его показаний активной электроэнергии в конце и в начале измерений на время измерений; О2 - сред-
няя за время измерении реактивная мощность, передаваемая по линии УО, измеряется по счетчику путём деления разности его показании реактивной электроэнергии в конце и в начале измерений на время измерений; Rэл - эквивалентное активное сопротивление линии УО; ^ -напряжение на зажимах НН трансформатора, от которого запитана линия У О.
С другой стороны, потери активной мощности в модуле равны активной мощности в «голове» линии, если из неё вычесть активную мощность нагрузки
AP = P2 - PH:
(2)
где при измерении активной мощности Р2 определяют значение активной мощности нагрузки и потерь в линии. Активная мощность нагрузки Pн, казалось бы, всегда задана путём перемножения числа светильников и их номинальных мощностей. Однако фактические мощности отдельных светильников имеют отличные от номинальных величины, что обусловлено распределением токов в линии и напряжениями на её элементах. Исследования, посвящённые этому вопросу, изложены ниже.
Выражения (1) и (2) дают ключ к энергоэффективному использованию УО. Потери активной мощности в линии УО уменьшаются, если:
а) уменьшить нагрузку, используя возможности ретрофита при замене морально устаревших светильников современными светильниками, потребляющими меньшую мощность при аналогичной светоотдаче;
б) компенсировать реактивную нагрузку линии;
в) увеличить напряжение питания, установив конденсаторы для целей компенсации реактивных нагрузок (КРН) в линии;
г) уменьшить эквивалентное по критерию потерь активной мощности сопротивление линии.
Поскольку левые части уравнений (1) и (2) равны, то значение эквивалентного активного сопротивления линии УО равно
Яэл = U 2
P -Ph) (P22 + q2)
(3)
Как следует из равенства (3), мероприятие г) находится в прямом противоречии с мероприятиями б) и в) и в неявном противоречии с а).
Ретрофит уличного освещения при установке СС вместо светильников с МГЛ является
благом для собственников линий уличного освещения, так как решает основную для них задачу - снижение потребления мощности УО при аналогичной светоотдаче. Однако при системном рассмотрении данного вопроса оказывается, что светодиодные лампы являются источниками высших гармоник тока и напряжения, а также, поскольку схема питания светильников при рет-рофите не претерпевает изменений, то она «наследует» несимметрию, которая была в ней до ретрофита. Эти оба фактора негативно влияют на энергоэффективность городских распределительных сетей. Проблема энергосбережения и повышения энергетической эффективности из отраслевой давно превратилась в государственную. Потери мощности и электрической энергии в электрических сетях складываются из потерь в линиях и трансформаторах. Потери в трансформаторах составляют основную долю, поэтому их определение с необходимой для целей практики точностью является актуальной задачей.
Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что задача энергоэффективного использования УО в её математической постановке является многокритериальной.
Преимущества и недостатки
светодиодных светильников
Светодиодные уличные светильники сложны в обслуживании: при неисправностях их необходимо снимать с опоры и ремонтировать в специализированной мастерской. Тогда как при выходе из строя, например ламп ДРЛ, их заменяют исправными непосредственно на опоре. Замена пусковой и регулирующей аппаратуры (ПРА) этих светильников также проста. Ремонт и обслуживание светильников с МГЛ могут осуществлять сотрудники, окончившие профтехучилище или краткосрочные курсы. Если в светодиодном светильнике сделать легко заменяемые источники света с конструкцией корпуса, аналогичной светильнику с МГЛ, разместив светодио-ды примерно там, где располагается лампа, а блок питания - где располагается ПРА, то затраты на переподготовку персонала будут сведены к минимуму.
Поскольку корпус СС имеет сравнительно большие размеры, а сам светильник меньшую мощность в сравнении с мощностью светильников с МГЛ, то отпадает необходимость в ребристом теплоотводе. Более того, применение последних разработок светодиодов позволяет обходиться без радиаторов в конструкции СС.
Проведенный анализ номенклатуры светодиодных светильников показывает, что их стоимость и надёжность работы в значительной степени определяются стоимостью блоков питания, и если для светодиодов низкие температуры, имеющие место в России, являются благом, то блок питания имеет ограничения по работе на морозе.
Светодиодные лампы, согласно информации их изготовителей, за время срока окупаемости 5 лет 2 месяца вырабатывают только 39 % своего ресурса. Срок службы светильников с МГЛ - 12000 ч и за период времени, равный сроку окупаемости светодиодных светильников, приходится менять их дважды.
Системный подход к ретрофиту уличного освещения
1. Компенсация реактивной нагрузки линии УО в целях увеличения напряжения питания. Основная идея ретрофита УО - снижение активной мощности нагрузки в 1,5 ... 2,0 раза и как следствие потерь активной мощности в линии. При современной тенденции роста тарифов на электроэнергию эти обстоятельства являются исключительно важными. В статье предлагается системный подход к рассматриваемому направлению ретрофита с учётом его преимуществ и недостатков. Для его воплощения были выполнены исследования режимов работы УО г. Майкопа и СС типа М2-К-Н-72-750.100.120-4-0-68, номинальная мощность которого 72 Вт, номинальное напряжение 220 В, коэффициент мощности 0,96.
Согласно паспорту изделия диапазон напряжения питания указанного выше типа СС от 180 до 242 В. При этом, по данным поставщика изделия АО «ВИЛЕД», срок службы светильника 100000 ч гарантируется, как и ряд других показателей с отклонениями ± 10 %.
Когда речь идёт о номинальных параметрах оборудования, то, как правило, в этом случае КПД должен иметь максимальное значение. При исследованиях, проведенных в лаборатории отдела НИОКР предприятия ООО НПП «ВНИКО», оказалось, что при номинальном напряжении 220 В активная мощность светильника 62,7 Вт, и лишь при предельном значении напряжения питания 242 В она равна 72 Вт (рис. 1). При выполнении исследований напряжение питания изменялось от 202 до 249 В.
> -1-1-1-н-1-
200 210 220 230 240 и, В
Рис. 1. График изменения активной мощности СС от напряжения его питания (1) и его аппроксимация полиномом первого порядка (2)
Поскольку зависимость Р(П) хорошо аппроксимируется прямой линией, то путем продления её влево получим, что при напряжении 180 В активная мощность СС равна 45,7 Вт. Таким образом, мощность СС изменяется в широком диапазоне при изменении напряжения питания.
График зависимости Р(Ц) является статической характеристикой светильника. Вольтам-перная характеристика (ВАХ) СС приведена ниже на рис. 2. Тренд её графика, строго говоря, не является прямой линией: каждый светодиод светильника является нелинейной нагрузкой. Однако в первом приближении, ВАХ СС также можно аппроксимировать прямой линией. Используя её, можно определить модуль сопротивления светильника как отношение абсциссы к ординате любой точки ВАХ.
ы-1-1-1-1-
200 210 220 230 240 U, В
Рис. 2. Вольтамперная характеристика светодиодного светильника (1) и его аппроксимация полиномом первого порядка(2)
Модуль полного сопротивления светильника при напряжении 222 В и токе 310 мА равен 716,845 Ом. Поскольку у указанного выше светильника cosф = 0,96, то в комплексной форме записи его полное сопротивление, Ом, равно
2 = 688,171+j200,717 = 716,845е-/29,17° .
Система УО города с его пригородными территориями включает в себя 227 линий. Каждая линия содержит несколько десятков светильников, являющихся равномерно распределённой нагрузкой. Расстояние между опорами 40 м. Алюминиевые провода УО имеют сечение 25 мм. Их удельное сопротивление г = 1,27 + + j 0,35 Ом/км [2]. Сопротивление участка провода в один пролёт г = 0,0508 + j 0,014 Ом.
Конфигурация линий различная. Поэтому для каждой из них требуется выполнять всякий раз расчёты в целях определения потерь в ней.
Повышение напряжения в какой-либо точке сети при включении конденсаторной батареи (КБ) пропорционально её мощности и не зависит от реактивных и активных нагрузок в этой точке до и после включения КБ.
При снижении реактивной нагрузки (О) на величину Qк уменьшение потерь в линии равно:
АР = Qк RэЛ-10"3.
и 2
У магистральной линии уменьшение потерь зависит от того, в каких точках присоединены электроприёмники и КБ. Как известно из работ профессора Г.М. Каялова, если реактивные нагрузки распределены равномерно вдоль магистрали, то при одной КБ потери в магистрали достигают минимума, когда КБ, мощностью 2/3 от мощности реактивной нагрузки, устанавливаются на расстоянии 2/3 от начала линии [3].
Если реактивная нагрузка уменьшается на Ок, квар, то относительное повышение напряжения на зажимах трансформатора со стороны нагрузки можно определять по приближённой формуле:
Аи% =
ном
где ик - напряжение короткого замыкания трансформатора; £ном - номинальная мощность трансформатора.
В любой группе из т ветвей (независимо от схемы их соединения) согласно источнику [4] потери активной мощности
1 т
АР =-11Р + )Rэл.
и 2 '=1
2. Оценка влияния несимметрии в линиях УО на энергоэффективность трансформаторов распределительных сетей. Нормирование потерь электроэнергии - это установление приемлемого (нормального) по техническим и
экономическим критериям уровня потерь электроэнергии (норматива потерь), включаемого в тарифы на электроэнергию.
Под основными потерями понимают вынужденные потери электроэнергии в симметричном, синусоидальном и равномерном режимах, с активной нагрузкой. Дополнительные потери возникают при отклонении показателей качества электроэнергии от нормативных значений, поэтому актуальным является вопрос об их влиянии на потери активной мощности в трансформаторах [5].
Анализ протоколов измерений для трансформаторов, установленных в городских сетях [6], показал, что в распределительных трансформаторах мощностью до 1000 кВА основные потери - это потери ХХ. Это объясняется тем, что распределительные трансформаторы мало загружены, и их нагрузка в большинстве случаев несимметрична. Поэтому даже для сетей УО, подвергнутых ретрофиту, являются актуальными исследования поперечной несимметрии от несимметричных нагрузок, направленные на повышение энергоэффективности распределительных сетей.
Подключение сетей УО возможно по двум схемам:
а) в звезду так, что ее нейтраль п и нейтраль N источников ЭДС связаны проводом, сопротивлением которого можно пренебречь;
б) в звезду так, что ее нейтраль п и нейтраль N источников ЭДС соединены проводником с сопротивлением гп = гп + jxn.
Функциональные зависимости для определения дополнительных потерь от несимметрии токов в трансформаторах распределительных сетей на основе эквивалентных совокупных сопротивлений фаз обмоток трансформатора и несимметричных нагрузок для указанных выше схем соединения, а также для схем соединения в звезду, нейтраль которой изолирована, и в треугольник, были выполнены в работах [7, 8].
При разработке указанных выше функциональных зависимостей принимались следующие допущения:
- уровень поперечной несимметрии в системах электроснабжения определяется набором приемников электрической энергии;
- источники ЭДС - симметричны.
Поскольку значения модулей эквивалентных полных сопротивлений фаз, включающих в себя сопротивления линейных проводов и несимметричной нагрузки, превышают значение
модуля полного сопротивления нулевого проводника, то в инженерной практике с целью снижения потерь активной мощности в самой нагрузке достаточно ограничиться рассмотрением варианта а).
Превышение потерь активной мощности в относительных единицах несимметричного режима в сравнении с симметричным режимом (сопротивление фаз одинаковы) для варианта а):
где
2 2 AP* = 12+8Г 8 2 8 2
(4)
у- a zazb + azazc + zczb ;
' zazb + zazc + zczb ;
8 = azazb + a zazc + zczb ; -_I + ^ -ej120° . a2 __ 1 _ -V3 _24QC
- + J 2 2
j — - e 22
фазовые операторы поворота величин соответственно на 120 ° и 240 za, zb, zc - эквивалентное полное сопротивление нагрузки соответственно фазы L1, L2 и L3.
Выражение (4) можно использовать и для определения потерь по варианту б), но с допустимой погрешностью. Она может быть определена в случае выполнения более тщательного расчета квадратов модулей коэффициентов несимметрии токов. Функциональная зависимость для определения превышения потерь для схемы соединения по варианту б) приведена ниже:
AP* -
|у+3 z
а
8
18+3zn ß|2 18+3zn ßl'
где а = za + azb + а2 zc; Р = za + zb + zc ; zN - эквивалентное полное сопротивление проводника, соединяющего нейтраль нагрузки, соединенной в звезду, и нейтраль трансформатора.
Для используемых в функциональных зависимостях полных сопротивлений и проводи-мостей фаз характерно, что в какую бы фазу ни было включено сопротивление, его комплексное значение не изменяется в отличие от ЭДС, токов, напряжений. Практическое использование результатов исследований сводится к определению модулей комплексных величин а, р, у, е, 5, интерпретация которых в следующем: р - сумма комплексных сопротивлений фаз; 5 - сумма комплексных проводимостей фаз для вариантов
а), б); а, у, е - суммы комплексных значений, полученных воздействием на соответствующие сопротивления (проводимости) в правой части комплексных величин р, 5 операторами поворота. Квадраты их модулей равны сумме квадратов модулей сопротивлений (проводимостей) фаз плюс удвоенное значение суммы скалярных произведений попарно взятых сопротивлений (проводимостей), аргументы которых отличаются от аргументов величин р, 5 операторами поворота.
3. Оценка влияния несинусоидальности в линиях УО на энергоэффективность трансформаторов городских распределительных сетей. Помимо несимметрии, как указывалось выше, основной причиной дополнительных потерь в трансформаторах распределительных сетей является также несинусоидальность нагрузок. Светодиодные лампы являются источниками высших гармоник, и график суммарного коэффициента гармонических составляющих тока СС относительно основной частоты в зависимости от напряжения сети показан на рис. 3.
Рис. 3. График суммарного коэффициента гармонических составляющих тока СС относительно основной частоты в зависимости от напряжения сети
Трудность оценивания влияния нелинейных приёмников на дополнительные потери в трансформаторах распределительных сетей заключается в том, что адекватные схемы замещения сети со многими несимметричными нагрузками для каждой из гармоник составить практически нет возможности [9].
Известны интегральные и частотные методы расчетов несинусоидальных режимов. Интегральные методы в некоторых случаях упрощают решение задачи, поскольку тогда не требуется составлять схемы замещения для расчётов гармоник токов и напряжений. Предлагаемый в работе [10] метод расчётов дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах является по своей сути интегральным и приме-
8
a
2
ним к трансформаторам без магнитопровода. Ниже рассматривается метод, применимый для трансформаторов с магнитопроводом. Он опирается на известные методы эквивалентного сопротивления и эквивалентных синусоид.
В основу предлагаемого метода положены следующие аксиоматические положения:
1. При подключении активно-индуктивной нагрузки к зажимам обмотки низшего напряжения (НН) в обмотку высшего напряжения (ВН) двухобмоточного силового трансформатора вносятся дополнительные сопротивления [11].
2. Расчет потерь по методу эквивалентных сопротивлений основан на подмене реальной нагрузки сети и трансформатора их эквивалентом [12].
3. При выполнении расчетов несинусоидальных режимов считают параметры схем замещения для каждой гармоники независимыми
[13].
4. Состав гармоник определяется набором источников гармоник и не зависит от загрузки источников гармоник [13].
5. Потери полной мощности трансформатора пропорциональны его полному эквивалентному сопротивлению, а дополнительные потери активной мощности от активной составляющей вносимого сопротивления нагрузки пропорциональны величине этой составляющей [11].
Суть предложенной методики определения дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах распределительных сетей, обусловленных нелинейными нагрузками, заключается в следующем.
Потери в одной фазе трансформатора распределительных сетей с магнитопроводом из электротехнической стали, вносимые несинусоидальной нагрузкой, равны:
ЛР„ = 3U
ae+bf
1 Оч^
(5)
a - r0r2+ r0Гн x0x2 x0Хн ;
b - x0r2 + Х0Гн + r0x2 + r0Хн ;
e - r0 + r2+ rH; f - x0 + x2+ xH.
(6)
где г0 - активное сопротивление намагничивающей ветви Т-образной схемы замещения трансформатора, отражающей магнитные связи об-
мотки ВН и НН; х0 - индуктивное сопротивление намагничивающей ветви; г2 - активное сопротивление НН обмотки трансформатора, приведенное к обмотке ВН; х2 - индуктивное сопротивление НН обмотки трансформатора, приведенное к обмотке ВН; г^ - активное сопротивление нагрузки, подключенной к трансформатору и приведенное к обмотке ВН; хн - реактивное сопротивление нагрузки, подключенной к трансформатору и приведенное к обмотке ВН.
После подстановки в уравнение (5) значений соответствующих коэффициентов (6) и применения выражения для расчета потерь активной мощности через произведение квадрата тока и активного сопротивления, вносимого в обмотку ВН трансформатора, получим выражение для расчета дополнительных потерь от всех п, имеющих место в несинусоидальной нагрузке гармоник, кроме первой:
^«ЛП srnT2 г2нZ0v + r0(Z2hv)
12 л^ -121 v
Z0v (Z2hv )
(7)
где и - напряжение на зажимах трансформатора со стороны питающей сети.
Коэффициенты а, Ь, е, f в уравнении (5) соответственно равны:
где /у - ток п-й гармоники; г2н - эквивалент совокупных активных сопротивлений нагрузки г^ и обмотки НН трансформатора г2, приведенные
к обмотке ВН, г2н = г2 + ^ ; 20У - квадрат модуля
полного сопротивления намагничивающей ветви
« 72 Г 2 2
соответствующей п-й гармоники, 2оу = т + Хо V ;
(22н)2 - квадрат модуля совокупности полного сопротивления нагрузки и обмотки НН трансформатора соответствующей п-й гармоники, приведенные к обмотке ВН,
(2 2 ну )2 =&+ гн)2 +(х2 + хн)2 V 2.
Примечание: междуфазные взаимные индуктивности обмоток, в силу их малости в сравнении с взаимной индуктивностью обмоток ВН и НН фазы согласно [14], в целях упрощения расчётов не учитывают.
Формула (7) учитывает дополнительные потери активной мощности от токов гармоник только в одной фазе. Если нелинейная трёхфазная нагрузка симметрична, то правую часть в выражении (7) следует умножить на 3. Иначе расчет дополнительных потерь активной мощности для всех п гармоник необходимо проводить по формуле (7) отдельно для каждой фазы трансформатора распределительных сетей.
Активное и индуктивное сопротивления обмоток ВН и НН, а также намагничивающей
ветви трансформатора считаются известными для трансформатора конкретной мощности. Как правило, параметры трансформаторов известны из паспорта трансформатора, однако у трансформаторов, находящихся в эксплуатации определенный срок, они отличаются от паспортных. В целях их уточнения в условиях эксплуатации [15] при капитальных и текущих ремонтах проводят опыты холостого хода и короткого замыкания. На их основе согласно работе [14] определяют текущие параметры трансформатора.
Выводы
1. Номинальные параметры СС, указываемые предприятиями-изготовителями в паспортах, соответствуют номинальным параметрам распределительной сети, однако в реальности и в соответствии с ГОСТ 32144-2013, напряжение может изменяться в пределах ± 10 % от своего номинального значения, и показатели, заданные предприятиями-изготовителями не выдерживаются. Следовательно, для полного анализа влияния СС, устанавливаемых в сети УО, при проведении ретрофита, необходимы исследования, охватывающие весь диапазон работы распределительной сети.
2. Установка конденсаторов на линиях УО способствует значительному повышению их энергоэффективности и в частности позволяет уменьшить эквивалентное по критерию потерь активной мощности сопротивление линии и увеличить напряжение питания, что в свою очередь ведет к уменьшению диапазона разброса параметров СС и работы их с номинальными параметрами. Для определения необходимого количества конденсаторов достаточно иметь данные получасового среза о потреблении мощностей, полученных с узлов учета электроэнергии, установленных на линиях, отходящих от трансформаторов распределительных сетей.
3. Наряду с контролем качества напряжений по ГОСТ 32144-2013, возникает необходимость комплексно контролировать показатели качества токов (коэффициента искажения, К-фактора и др.), поскольку эти величины несут существенную информацию о тепловом режиме оборудования электрической сети.
4. Для каждого трансформатора распределительной сети необходимо отдельно рассчитывать и оценивать влияние несимметрии и несинусоидальности нагрузки электропотребителей, и на основании проведенных расчетов давать рекомендации по снижению потерь в нем.
Литература
1. Троицкий А.И., Исаев К.Н. Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности и улучшения качества электрической энергии: учеб. пособие / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. 260 с.
2. Мельников Н.А. Электрические системы и сети: учеб. пособие для вузов; 2-е изд., стереотипное. М.: «Энергия», 1975. 464 с.
3. Каялов Г.М., Теребаев В.В. Локальное определение экономичности и мощностей конденсаторных батарей при шаговом методе расчета компенсации реактивных нагрузок // Изв. вузов. Электромеханика. 1982. № 9. С. 159 - 163.
4. Троицкий А.И., Надтока И.И. Рациональное использование электрической энергии при её транспортировке: учеб. пособие для энергетиков / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. 224 с.
5. Костинский С.С. Снижение сверхнормативных потерь в трансформаторах, установленных в распределительных сетях // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 132 - 133.
6. Костинский С.С. Результаты статистической обработки потерь холостого хода и нагрузочных потерь в распределительных силовых трансформаторах, длительно находящихся в эксплуатации // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. Спецвып.: [Электроснабжение]. С. 90 - 92.
7. Троицкий А.И., Костинский С.С. Определение потерь активной мощности при несимметричной активно-индуктивной трехфазной нагрузке, подключенной к системе симметричных источников ЭДС с изолированной нейтралью // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 2. С. 22 - 25.
8. Троицкий А.И., Костинский С.С., Химишев Т.З. Определение дополнительных потерь при несимметричной активно-индуктивной трехфазной нагрузке, подключенной к системе симметричных источников ЭДС и соединенной по схеме звезда с глухим заземлением нейтрали // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 4. С. 64 - 67.
9. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Бараненко Т.К., Горпи-нич А.В., Нестерович В.В. Избранные вопросы несинусоидальных режимов в электрических сетях предприятий / под. ред. И.В. Жежеленко. М.: Энергоатомиздат, 2007. 296 с.
10. Костинский С.С., Троицкий А.И. Метод определения дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах распределительных сетей, обусловленных нелинейными нагрузками // Изв. вузов. Электромеханика. 2015. № 3. С. 61 - 67.
11. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник; 11-е изд., перераб. и доп. М.: Гардарики, 2006. 701 с.
12. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: учеб. пособие; 3-е изд., перераб. М.: КНОРУС, 2012. 648 с.
13. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях: 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2005. 261 с.
14. Троицкий А.И., Костинский С.С. Определение параметров силовых трансформаторов в системах электроснабжения: учеб.-метод. пособие к выполнению лаб. работ с элементами научных исследований / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. 52 с.
15. Троицкий А.И., Костинский С.С. Обобщение понятия не- метрирования по критерию снижения потерь мощности симметричные нагрузки с целью их внутреннего сим- // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 126 - 132.
References
1. Troitskii A.I., Isaev K.N. Ispol'zovanie kondensatorov dlya kompensatsii reaktivnoy moshchnosti i uluchsheniya kachestva elektricheskoy energii [Use of condensers for indemnification of jet power and improvement of quality of electric energy]. Novocherkassk, YuRGTU Publ., 2006, 260 p.
2. Mel'nikov N.A. Elektricheskie sistemy i seti [Electric systems and networks]. Moscow, Energy Publ., 1975, 464 p.
3. Kayalov G.M., Terebaev V.V. Lokal'noe opredelenie ekonomichnosti i moshchnostei kondensatornykh batarei pri shagovom metode rascheta kompensatsii reaktivnykh nagruzok [Local definition of profitability and powers of condenser batteries at a step-by-step method of calculation of indemnification of jet loadings]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechan-ics, 1982, no.9, pp. 159-163. [In Russ.]
4. Troitskii A.I., Nadtoka I.I. Ratsional'noe ispol'zovanie elektricheskoy energii pri ee transportirovke [Rational use of electric energy at its transportation]. Novocherkassk, YuRGTU Publ., 2004, 224 p.
5. Kostinskii S.S. Snizhenie sverkhnormativnykh poter' v transformatorakh, ustanovlennykh v raspredelitel'nykh setyakh [Decrease in Excess Losses in the Transformers Installed in Distributive Networks]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electrome-chanics, 2013, no.1, pp. 132-133. [In Russ.]
6. Kostinskii S.S. Rezul'taty statisticheskoi obrabotki poter' kholostogo khoda i nagruzochnykh poter' v raspredelitel'nykh silovykh transformatorakh, dlitel'no nakhodyashchikhsya v ekspluatatsii [Results of Statistical Processing of Losses of Idling and Loading Losses in Distributive Power Transformers, it is Long Being in Operation]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electrome-chanics, Spetsvyp., 2009, pp. 90-92. [In Russ.]
7. Troitskii A.I., Kostinskii S.S. Opredelenie poter' aktivnoi moshchnosti pri nesimmetrichnoi aktivno-induktivnoi trekhfaznoi nagruzke, podklyuchennoi k sisteme simmetrichnykh istochnikov EDS s izolirovannoi neitral'yu [Definition of Losses of Active Power at the Asymmetrical is Active-inductive Three-phase Loading Connected to System of Symmetric Sources Electromotive Power With the Isolated Neutral]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2012, no. 2, pp. 22-25. [In Russ.]
8. Troitskii A.I., Kostinskiy S.S., Khimishev T.Z. Opredelenie dopolnitel'nykh poter' pri nesimmetrichnoi aktivno-induktivnoi trekhfaznoi nagruzke, podklyuchennoi k sisteme simmetrichnykh istochnikov EDS i soedinennoi po skheme zvezda s glukhim zazemleniem neitrali [Definition of Additional Losses at the Asymmetrical is Active-Inductive Three-phase Loading Connected to System of Symmetric Sources Electromotive Power and Connected Under the Scheme a Star With Deaf Grounding of a Neutral]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2012, no. 4, pp. 64-67. [In Russ.]
9. Zhezhelenko I.V., Saenko Yu.L., Baranenko T.K., Gorpinich A.V., Nesterovich V.V. Izbrannye voprosy nesinusoidal'nykh rezhimov v elektricheskikh setyakh predpriyatiy. [The selected questions of nonsinusoidal modes in distributive networks of the factories]. Moscow, Energoatomizdat, 2007, 296 p.
10. Kostinskiy S.S., Troitskiy A.I. Metod opredeleniya dopolnitel'nykh poter' aktivnoi moshchnosti v transformatorakh rasprede-litel'nykh setei, obuslovlennykh nelineinymi nagruzkami [Method Definition of Stray Load Losses of Active Power in Transformers of the Branch Circuits Caused by Non-linear Loadings]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2015, no. 3, pp. 61-67. [In Russ.]
11. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Elektricheskie tsepi [Theoretical bases electrical engineers. Electric chains]. Moscow, Gardariki Publ., 2006, 701 p.
12. Gerasimenko A.A., Fedin V.T. Peredacha i raspredelenie elektricheskoy energii [Transfer and distribution of electricity]. Moscow, KNORUS, 2012, 648 p.
13. Zhezhelenko I.V., Saenko Yu.L. Kachestvo elektroenergii na promyshlennykh predpriyatiyakh [Quality of power at the industrial factories]. Moscow, Energoatomizdat, 2005, 261 p.
14. Troitskiy A.I., Kostinskiy S.S. Opredelenieparametrov silovykh transformatorov v sistemakh elektrosnabzheniya [Definition of parameters of mains transformers in electrosupply systems]. Novocherkassk, YuRGTU Publ., 2011, 52 p.
15. Troitskiy A.I., Kostinskiy S.S. Obobshchenie ponyatiya nesimmetrichnye nagruzki s tsel'yu ikh vnutrennego simmetrirovaniya po kriteriyu snizheniya poter' moshchnosti [Concept Generalisation Asymmetrical Loadings for the Purpose of Their Internal Balancing by Criterion of Decrease in Losses of Capacity]. Izv. vuzov. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2013, no. 1, pp. 126-132. [In Russ.]
Поступила в редакцию 31 марта 2016 г.
