Применение трансформатора «Звезда-зигзаг с нулем» для снижения потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0, 38 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631.371:621.316 Доктор техн. наук Ф.Д. КОСОУХОВ

(СПбГАУ, 4762118iS>mail.ra) Канд. техн. наук Н.В. ВАСИЛЬЕВ (СПбГАУ, profkom_gau(S>mail.ru) Соискатель Н.Ю. КРИШТОПА (СПбГАУ, krishnatiSmail.ru)

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА «ЗВЕЗДА-ЗИГЗАГ С НУЛЕМ» ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ОТ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ

Сельские электрические сети 0,38 кВ, трансформаторы K/Zn. Y/Yu. потери мощности от несимметрии токов, экспериментальные исследования, анализ потерь

В сельских электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками применяются трансформаторы потребительских ТП со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулем», которые обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, примерно в 10 раз превышающим сопротивление прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке фаз в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию напряжений на выходе трансформатора. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности трансформаторов в большинстве случаев превышает в несколько раз допустимое ГОСТом Р54149-2010 значение. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 25 - 30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30 - 50% по сравнению с симметричным режимом работы [1].

В указе Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» отмечается: «В целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом». В соответствии с этим указом в ближайшие 5 лет предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40% по сравнению с 2007 годом, повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран [2].

Существенного снижения потерь и повышения качества электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ можно достигнуть с помощью силовых трансформаторов с малым сопротивлением нулевой последовательности. К таким трансформаторам относится трансформатор со схемой соединения обмоток «звезда-зигзаг с нулем» (У/Zh), производимый Алтайским трансформаторным заводом номинальной мощностью 25 - 400 кВА. Полное сопротивление нулевой последовательности трансформатора K/ZH примерно в 40 раз меньше по сравнению с трансформатором К/Кн.

В статье приведены результаты экспериментального исследования потерь мощности от несимметрии токов в электрической сети 0,38 кВ с трансформаторами У/Ун и K/ZH на физической модели сети (рис. 1). Физическая модель сети изготовлена на кафедре Электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ.

ВЛ 0.38 кВ Узел нагрузки

AT

А

Т 0,38/0-38 кВ

«•i а о

н ■

В —1

о w

а. «

а

»»>

а

о

& "1 ■ ...

о г, 7. о Б

а

■

в

П

АД V, 1 АД V 2

Рис.1. Электрическая схема физической модели электрической сети 0,38 кВ

Эксперименты выполнялись на физической модели сети 0,38 кВ, содержащей силовой трансформатор номинальной мощностью 25 кВА со схемой соединения обмоток У/Ун или У/£н, четырехпроводную воздушную линию 0,38 кВ длиной 370 м, выполненную проводом марки СИП-4, сечением 25 мм2, узел нагрузки из набора однофазных резисторов суммарной мощностью 25 кВт и двух трехфазных асинхронных электродвигателей по 4,5 кВт с генераторами постоянного тока на общем валу. Измерения токов, напряжений, активной мощности и других физических величин производились с помощью специальных измерительных устройств «Энергомонитор 3.3», имеющих класс точности 0,1 [3]. Для определения общих потерь мощности в трансформаторе и в линии 0,38 кВ все измерения выполнялись в трех точках сети (рис. 1):

- на входе трансформатора, Рвх;

- на выходе трансформатора, Р,,ых1:

- на выходе линии 0,38 кВ, Рвыхг-

Исследования потерь мощности и показателей качества электроэнергии в сети 0,38 кВ проводились для следующих несимметричных режимов работы сети с трансформатором У/Ун, а затем с трансформатором У/7н с изменяющейся нагрузкой (нагрузка увеличивалась от опыта №1 к опыту №5):

- однофазная нагрузка;

- двухфазная нагрузка;

- трехфазная несимметричная нагрузка;

- однофазная нагрузка с трехфазным асинхронным двигателем 4,5 кВт.

Некоторые результаты измерений и вычислений при двухфазной нагрузке приведены в табл. 1 для трансформатора У/Ун и в табл. 2 для трансформатора У/^н.

Таблица 1. Результаты измерения и расчета потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ

с трансформатором К/Кп при двухфазной нагрузке

Физ. Ед. Номер опыта Примечание

3 велич. изм. №1 №2 №3 №4 №5

1 р 1 вх Вт 3509 5871 9721 11752 13315

н р 1 ВЫХ1 Вт 3351 5616 9201 11033 12628

§ р 1 вых? Вт 3256 5302 8443 9966 11129

Л /1 А 5,14 8,69 14,72 17,97 20,44

ъ. А 2,75 4,87 8,92 11,30 13,19

§ Л н /о А 2,38 3,84 5,92 6,87 7,51

К21 о.е. 0,54 0,56 0,61 0,63 0,65

Ко 1 о.е. 0,46 0,44 0,40 0,38 0,37

Д Р1 Вт 16,01 45,76 131,31 195,69 253,18

А Р2 Вт 4,58 14,37 48,21 77,38 105,43

х А ДР0 Вт 46,22 120,32 285,98 385,13 460,22 Дх = 0,202 Ом Д0 = 2,72 Ом

8 АРе Вт 50,80 134,69 334,19 462,51 565,65

Л % 76,04 74,64 71,79 70,27 69,08

-Э" ДРг(0) Вт 158 255 520 719 687

3 а н % 4,5 4,34 5,35 6,12 5,16

К, о.е. 3,173 2,943 2,545 2,363 2,234

Д Р1 Вт 36,618 104,665 300,316 447,568 579,062

ДР2 Вт 10,482 32,872 110,279 176,978 241,131

ДР0 Вт 23,977 62,418 148,351 199,784 238,742 Дх = 0,462 Ом Д0 = 1.4И Ом

ОО АРе Вт 34,459 95,280 258,630 376,762 479,873

% 48,48 47,66 46,27 45,71 45,32

1 АРд(о) Вт 95 314 858 1067 1499

% 2,7 5,35 8,83 9,08 11,26

К£ о.е. 0,941 0,911 0,861 0,842 0,829

Таблица 2. Результаты измерения и расчета потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ

с трансформатором Упри двухфазной нагрузке

Физ. Ед. Номер опыта Примечание

велич. изм. №1 №2 №3 №4 №5

1 р 1 вх Вт 3563 6110 10262 12518 14219

р 1 вых^ Вт 3440 5859 9903 12032 13657

р 1 ВЫХ7 Вт 3269 5519 8915 10633 11901

а о к А 5,18 8,99 15,29 18,79 21,39

О К h А 2,65 4,69 8,26 10,32 11,93

S а н /о А 2,53 4,29 7,03 8,45 9,47

К21 o.e. 0,51 0,52 0,54 0,55 0,56

Kot o.e. 0,49 0,48 0,46 0,45 0,44

АР, Вт 18,514 55,766 161,311 243,614 295,69

N А Р2 Вт 4,846 15,177 47,077 74,200 98,204

X а А Р0 Вт 1,477 4,246 11,401 16,473 20,689

о ё А Ре Вт 6,323 19,423 58,478 90,673 118,893 R] = 0,230 Ом

S а % 2,546 25,83 26,61 27,12 28,68 Д0 = 0,0769 Ом

Я. А РТ(0) Вт 123 251 359 486 562

3 % 3,45 4,1 3,5 3,88 3,95

н К£ o.e. 0,342 0,348 0,363 0,372 0,402

АР, Вт 37,190 112,017 324,025 489,347 634,139

А Р2 Вт 9,733 30,487 94,563 147,612 197,262

щ АР0 Вт 27,095 77,905 209,199 302,247 379,619 Дх = 0,462 Ом Д0 = 1,411 Ом

00 А РЕ Вт 36,828 108,392 303,762 449,859 576,881

% 49,76 49,18 48,39 47,90 47,64

1 АРд(о) Вт 171 340 988 1399 1756

% 4,80 5,56 9,63 11,18 12,35

к, o.e. 0,990 0,968 0,937 0,919 0,910

По результатам опытов были проведены расчеты следующих физических величин:

- потери мощности в трансформаторе:

Д%) = Рвх - Рвыхъ Вт;

- потери мощности в линии:

Д^Л(о) = ^'вых1 — ^ вых25 Вт,

- коэффициент несимметрии токов обратной последовательности:

и '2

К2i = у, o.e.;

- коэффициент несимметрии токов нулевой последовательности:

,, Iq

Koi = у, o.e.;

- коэффициент потерь мощности в трансформаторе от несимметрии токов [4]:

КЕт = К^ + К^: o.e.; (1)

- коэффициент потерь мощности в линии от несимметрии токов:

= + o.e.; (2)

- потери мощности в трансформаторе (линии) от токов прямой последовательности АРг = 3 / р /?]. обратной последовательности АР2 = 31^2, нулевой последовательности АР0 = 3/д/?0:

- потери мощности от несимметрии в трансформаторе (линии) от токов обратной и нулевой последовательности, АРе = АР2 + АР0, где 1\. ¡2, ¡о ~ симметричные составляющие токов соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей;

Rqj (^ол) 5 №л) ~ активные сопротивления нулевой и прямой последовательностей

трансформатора (линии).

Результаты исследования потерь мощности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Усравниваются с результатами потерь в трансформаторе К/Кн. т.е. данные табл. 2 сравниваются с данными табл. 1 при двухфазной нагрузке.

Коэффициент потерь мощности от несимметрии токов Ке при однофазной нагрузке с ее увеличением остается неизменным, так как не изменяются коэффициенты [5], и равным:

- для трансформатора У/2^ Ке = 1,334;

- для трансформатора У/Ун Ке = 14,465,

т.е. КЕ для трансформатора У ¡2^ в 10,84 раза меньше по сравнению с трансформатором К/Кн. Такое различие в коэффициенте Ке этих трансформаторов объясняется различными значениями активного сопротивления нулевой последовательности /?0 (формула (1)).

При двухфазной нагрузке коэффициент Ке трансформаторов изменяется с изменением величины нагрузки (табл. 2 и 1 и график, рис. 2):

- для трансформатора У/2^ от 0,342 до 0,372;

- для трансформатора У/Ун от 3,173 до 2,234,

т.е. КЕ для трансформатора У ¡2^ меньше в 9,3 - 6,0 раз по сравнению с трансформатором

У/Ун-

Общие потери мощности ДРт(о) в трансформаторе У/2ц меньше по сравнению с трансформатором У/Ун при однофазной нагрузке в 3,1 раза, а при двухфазной нагрузке в 1,31 раза. Сказываются на снижении соотношения общих потерь потери мощности от токов прямой последовательности и от реактивной мощности, которые примерно одинаковы в обоих трансформаторах.

К,

3,5

о.е.

1,5 1 0,5

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000 Рвх, Вт

Рис.2. Зависимость коэффициента КЕ трансформатора и линии от входной активной мощности

трансформаторов (табл. 1,2): 1 - У/>н; 3 - линии; 2 - 4 - линии; изменяется двухфазная активная нагрузка

Потери мощности от несимметрии токов в линии характеризуются коэффициентом Ке для линии 0,38 кВ. При однофазной нагрузке коэффициент Ке для линии одинаков с обоими трансформаторами, равный 4,054, от величины однофазной нагрузки не зависит.

При двухфазной нагрузке коэффициент Ке для линии практически одинаков с обоими трансформаторами (табл. 1 и 2).

В результате экспериментального исследования потерь мощности от несимметрии токов установлен уровень потерь мощности в трехфазных трансформаторах со схемами соединения обмоток У/2\\ и У/Ун и в четырехпроводной линии 0,38 кВ. Для трансформатора У/2н уровень потерь мощности от несимметрии токов:

- при однофазной нагрузке, при её изменении от минимальной до номинальной: АРе = 57%;

0

- при двухфазной нагрузке: АРе = 2,5% - 29%.

Для трансформатора У/Ун уровень потерь мощности от несимметрии токов:

- при однофазной нагрузке: АРе = 93,5%;

- при двухфазной нагрузке: АРе = 76% - 69%.

Для линии 0,38 кВ с трансформатором Ууровень потерь мощности от несимметрии токов:

- при однофазной нагрузке: АРе = 80%;

- при двухфазной нагрузке: АРе = 49,7% - 47,6%.

Для линии 0,38 кВ с трансформатором У/Ун уровень потерь мощности от несимметрии токов:

- при однофазной нагрузке: АРе = 80%;

- при двухфазной нагрузке: АРе = 48,5% - 45,3%.

К основным показателям качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой относятся коэффициенты несимметрии напряжений нулевой Кои и обратной К2ц последовательностей, а также отклонение напряжения. При исследовании потерь мощности от несимметрии токов в трансформаторах У/£н и У/Ун и в линии 0,38 кВ на физической модели сети, одновременно измерялись коэффициенты Кои и К2ц на шинах низкого напряжения трансформаторов, а также фазные потери напряжения в линии. Результаты этих измерений представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3. Коэффициент нулевой последовательности напряжений, К^ц, %

Нагрузка Место измерения Схема транс форматора Номер опыта

№1 №2 №3 №4 №5

Однофазная На шинах НН трансф. У/^„ 0,105 0,18 0,30 0,38 0,43

У/Ун 5,54 9,80 15,63 18,59 20,51

В узле нагрузок УАн 2,90 5,08 8,60 10,73 12,25

У/Ун 7,33 12,74 20,41 24,55 27,26

Двухфазная На шинах НН трансф. у/2н 0,09 0,16 0,28 0,35 0,40

У/Ун 4,93 8,57 13,41 15,54 16,89

В узле нагрузок УАн 2,87 4,91 8,31 10,18 11,60

У/Ун 6,75 11,45 18,03 21,15 23,21

Как видно из табл. 3 и графика (рис. 3), коэффициент Кои на шинах НН трансформатора У/2^ в 50 раз меньше Кои трансформатора У/Ун, а в узле нагрузок он меньше в 2,5 раза. Коэффициент обратной последовательности напряжений К2ц на шинах трансформаторов и в узле нагрузок увеличивается по мере увеличения нагрузки, однако его значения остаются в пределах допустимой нормы (табл. 4).

Фазные потери напряжения в линии 0,38 кВ при несимметричной нагрузке отличаются по фазам трехфазной сети. Поэтому сравнение различных трансформаторов по потере напряжения производится по максимальному ее значению {А1]тах). С увеличением нагрузки Аитах возрастает, однако для трансформаторов со схемами соединения У /2^ и У/Ун потери напряжения в линии 0,38 кВ отличаются незначительно. Поэтому этот показатель не является существенным при выборе типа трансформатора.

Таблица 4. Коэффициент обратной последовательности напряжений, Кщ, %

Нагрузка Место измерения Схема транс форматора Номер опыта

№1 №2 №3 №4 №5

Однофазная На шинах НН трансф. УАн 0,82 0,92 1,7 2,20 2,66

У/Ун 0,27 0,54 0,93 1,09 1,13

В узле нагрузок Y/ZH 1,0 1,6 2,78 3,6 4,1

У/Ун 0,92 1,46 2,50 3,0 3,21

Двухфазная На шинах НН трансф. Y/ZH 0,41 1,12 1,80 2,60 2,87

У/Ун 0,37 0,65 1,18 1,46 1,40

В узле нагрузок Y/ZH 1,01 1,85 3,23 4,22 5,00

У/Ун 1,05 1,78 3,30 4,33 4,84

20

15

10

K„| „ %

о

10000 12000

14000

Рвх, Вт

Рис.3. Зависимость коэффициента Кои на шинах НН трансформаторов (1,3) и в узле нагрузок (2,4) от входной

активной мощности трансформаторов (табл. 3, 4): 1,2 - У/Ун; 3,4- У/2Н; изменяется двухфазная активная нагрузка

Таким образом, сравнение двух трансформаторов со схемами соединения обмоток У/Zh и У/Ун показывает, что трансформатор У/Ун по потерям мощности от несимметрии токов в трансформаторе и по качественным показателям электроэнергии существенно уступает трансформатору У/ZH. Поэтому в электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой следует применять трансформатор K/ZH.

В связи с тем что физическая модель электрической сети 0,38 кВ содержит реальные электротехнические устройства: трансформаторы типа ТМГ номинальной мощностью 25 кВА, четырехпроводную линию 0,38 кВ, несимметричную нагрузку, позволяющие создать любой режим работы сети 0,38 кВ, можно утверждать, что результаты эксперимента потерь мощности от несимметрии токов на физической модели сети отражают действительную картину с потерями в реальных сетях 0,38 кВ.

Литература

1. Косоухов Ф.Д., Наумов И.В. Несимметрия напряжений и токов в сельских распределительных сетях. -Иркутск, 2003. -259 с.

2. Указ Президента РФ «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики». - М. Кремль. № 889, 4 июня 2008. - 2 с.

3. Теремецкий М.Ю. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора «звезда-звезда с нулем с симметрирующим устройством»: Дис... канд. тех. наук. - СПб., 2011. - 175 с.

4. Косоухов Ф.Д. Критерии зависимости потерь мощности в сельских сетях 0,38 кВ от снижения коэффициента мощности, несимметрии и несинусоидальности токов//Энергетический вестник Санкт-Петербургского государственного аграрного университета: Сб. науч. тр. - СПб., 2010. - С. 78 - 82.

5. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Филиппов А.О. Снижение потерь от несимметрии токов и повышение качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузкамиЮлектротехника. - 2014. - № 6. - С. 8 - 12.