CC BY
30
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
_2023 г. Выпуск 1 (68). С. 147-155_
УДК 621.32 DOI: 10.18822/byusu202301147-155
РАСЧЕТ РЕЗОНАНСНЫХ РЕЖИМОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРИ НАЛИЧИИ ИСТОЧНИКОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК
Ощепков Владимир Александрович
кандидат технических наук, доцент ФГАОУВО «Омский государственный технический университет», Омск, Россия E-mail: energoowa@mail.ru
Логунова Яна Юрьевна
ведущий специалист отдела планирования учета и реализации энергоресурсов, ООО «РН-Юганскнефтегаз», Нефтеюганск, Россия E-mail: jana_logunova@mail. ru
Предмет исследования: резонансные режимы в электрических сетях 35/6/0,4 кВ нефтедобывающих предприятий.
Цель исследования: расчет частот, на которых возможно возникновение резонансных режимов, определение кратности перенапряжений в узлах электрической сети.
Объект исследования: распределительные электрические сети 35/6 кВ, группы нелинейных электроприемников 0,4 кВ, являющихся источниками гармонических искажений.
Основные результаты исследования: представлена методика расчета резонансных режимов при наличии источников высших гармоник. Определены частоты, на которых возможно возникновение резонансов, для каждого класса напряжения определены кратности возникающих перенапряжений. Проведены физические измерения уровней несинусоидальности с применением сертифицированного оборудования. На основании сравнения результатов расчета и фактического уровня высших гармоник в электрической сети, принимается технически обоснованное решение по установке фильтрокомпенсирующих устройств для подавления высших гармоник и недопущения аварийной ситуации.
Ключевые слова: резонанс токов, высшие гармоники, качество электроэнергии, батареи статических конденсаторов.
CALCULATION OF RESONANT MODES IN ELECTRIC NETWORKS IN CASE OF SOURCES OF HIGHER HARMONICS
Vladimir A. Oshchepkov
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Omsk State Technical University Omsk, Russia E-mail: energoowa@mail.ru
Jana Yu. Logunova
Leading Specialist of the Department of Planning, Accounting and Sales of Energy Resources Limited Liability Company "RN-Yuganskneftegaz"
Nefteyugansk, Russia E-mail: jana_logunova@mail.ru
Subject of research: resonant modes in electrical networks 35/6/0.4 kV of oil producing enterprises.
Purpose of research: calculation of frequencies at which the occurrence of resonant modes is possible, determination of the multiplicity of overvoltages in the nodes of the electrical network.
Object of research: distribution electrical networks 35/6 kV, groups of non-linear electrical receivers 0.4 kV, which are sources of harmonic distortion.
Main results of research: a method for calculating resonant modes in the presence of sources of higher harmonics is presented. The frequencies at which the occurrence of resonances is possible are determined; for each voltage class, the multiplicity of arising overvoltages is determined. Physical measurements of non-sinusoidality levels were carried out using certified equipment. Based on a comparison of the calculation results and the actual level of higher harmonics in the electrical network, a technically sound decision is made to install filter-compensating devices to suppress higher harmonics and prevent an emergency.
Keywords: current resonance, higher harmonics, power quality, static capacitor banks.
Введение
Качество электрической энергии влияет на размещение БСК в узлах систем электроснабжения. При наличии в системах электроснабжения крупных нелинейных нагрузок может произойти перегрузка конденсаторных батарей в присутствии токов высших гармоник питающей сети [6].
В частности, при наличии широкого спектра высших гармоник в кривой питающего напряжения может возникнуть режим резонанса на частотах, близким к частотам одной или нескольких высших гармоник, содержащихся в питающей сети. Возникающие резонансные режимы производят эффект усиления влияния высших гармоник на работу электрооборудования в частности, на БСК, усугубляя их перегрузку токами гармоник [5, 7]. В конечном счете, такая токовая перегрузка отрицательно сказывается на сроках эксплуатации конденсаторов, что приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя конденсаторных батарей.
В работе [1] предложена и апробирована на практике авторская методика по определению резонансных режимов в узлах сети и порядков высших гармоник, на которых этот режим может возникнуть.
Авторы работы [4] провели исследование, доказавшее, что причиной периодических отключений и перегрузок БСК в системе электроснабжения ОАО «Ачинский НПЗ ВНК» было возникновение режима резонанса в контуре «БСК-понижающие трансформаторы 6/0,4 кВ».
Резонансные режимы могут возникнуть при изменении конфигурации СЭС, подключении (отключении) БСК, линий электропередачи, изменения нагрузки. Резонансные режимы могут существовать не только на высших гармоник, рекомендуемых для учета согласно ГОСТ 321442013, но и на частотах высокого порядка (п>40). В работе [2] авторами было проведено исследование, которое показало существование резонансных на частотах выше 40-й гармоники.
Результаты и обсуждение
Произведем расчет резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ, питающей объекты нефтедобычи в Ханты-Мансийском автономном округе - Югре. Схема исследуемой сети представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема исследуемой электрической сети
На исследуемом объекте к шинам 0,4 кВ подключена нагрузка, питаемая через преобразователи напряжения. Для оценки возможности существования резонансных режимов (резонанса токов) в исследуемой системе на основании имеющейся схемы электрической сети составим схему замещения. Схема замещения исследуемой электрической сети приведена на рисунке 2.
^АТ ХАт Л К'пв ХПВ 2 К'ВТ ХВт 3 К'з5 Х35 4 К'б Х6 5 ^04 Х()4 6
Рисунок 2 - Схема замещения участка электрической сети
На основании полученной схемы замещения, параметров трансформаторов, линий электропередачи и нагрузок составим уравнение в операторной форме для расчета режима по методу узловых потенциалов. Перед выполнением процедуры свертки схемы замещения представим реактивные сопротивления (индуктивные и емкостные) в операторной форме.
Индуктивное сопротивление в операторной форме имеет следующий вид:
Хь(р) = рь ,
емкостное сопротивление выражается формулой:
Хс(р) = 1
pC •
(1)
(2)
Далее необходимо произвести операцию свертки правой части схемы замещения относительно узлов «2» и «0». Рассмотрим в качестве примера первый этап преобразования схемы замещения. Параллельно нагрузке 0,4 кВ (представлена активно-индуктивной ветвью схемы замещения - Ян, Хн) подключена батарея статических конденсаторов, предназначенная для компенсации реактивной мощности (представлена емкостным сопротивлением ХС5). Результирующее сопротивление этого участка сети по правилу параллельного соединения элементов в операторной форме будет равно:
1 + рЬ| )
Z6 =
pC5
Rí + pLí
1
pC
+ Rí + pLÍ
1 + pCR + p2C5Lj
(3)
Дальнейшие действия, направленные на преобразование схемы замещения электрической сети, будут выполняться аналогично с применением правил преобразования последовательно и параллельно соединенных ветвей.
В результате преобразования правая часть схемы замещения будет представлять собой одно эквивалентное сопротивление ^ЭКВ) в операторной форме. Левая часть схемы замещения содержит следующие элементы: активное (RAT) и индуктивное (ХАТ) сопротивления автотрансформатора, установленного на подстанции 1 (ПС 1), активное (RnB), индуктивное (ХПВ) сопротивления и емкость (C1) ЛЭП, связывающей ПС 1 и секции шин (СШ) распределительного пункта (РП), активное (Rh) и индуктивное (Xh) сопротивления источника высших гармоник и источник питания (E50). Полученная схема замещения представлена на рисунке 3, а параметры её элементов - в таблице 1.
R'at ХАТ , R' г
k пв
X,
ПВ
E
50
X'
c1
C'i
R'm
ХИ
Рисунок 3 - Схема замещения после ряда эквивалентных преобразований
Параметры элементов схемы замещения
Таблица 1
Rat, Ом Хат, Ом Япв, Ом Хпв, Ом Ci, Ф
0,024 5,949-10"3 2,531 0,014 8,593-10"6
Z
0
Система уравнений, составленная по методу узловых потенциалов для рассматриваемой схемы (рисунок 3), имеет вид:
0
ф1(уат + упв + усх) ффупв = ф2 (упв + увт + уи ) - №пв - фзувт
Е У
еи уи
(4)
ф3 (увт + уз5 + У2 ) - ф2увт - ф4У35 = 0
Ф4(у35 + уб + ус з)-Фзуз5 -Ф5у6 = 0
Ф5(уб + у04 + ус 4)-Ф4у6 ФфУ04 = 0 фб(уо4 + Ун + ус 5)-Ф5у04 = 0
Графические зависимости кратности перенапряжения от частоты для различных классов напряжения представлены на рисунках 4-7. Максимальные кратности перенапряжения (Кц), частоты, на которых возможен режим резонанса и порядок ВГ, на частотах которых возможен резонанс (п) при различных классах напряжения (и) (в различных точках рассматриваемой сети), представлены в таблице 2.
Рисунок 4 - Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 110 кВ)
О 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 10000
Ú?, рид/с
Рисунок 5 - Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 35 кВ)
Рисунок 6 - Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 6 кВ)
2
1.5
щ
0.5
0
750 1500 2250 3000 3750 4500 5250 6000
т, рад/с
Рисунок 7 - Зависимость кратности перенапряжения от частоты (класс напряжения 0,4 кВ)
Таблица 2
Высшие гармоники, в окрестности которых возможен резонанс
U, кВ Ku, о.е. f, Гц N
638 13
110 0,821 537 11
844 17
638 13
35 2,905 258 5
537 11
844 17
638 13
6 2,1 537 11
844 17
258 5
0,4 1,97 537 11
638 13
Из таблицы 2 и графиков (рисунки 4-7) видно, что резонансный режим будет наблюдаться при частотах 258 Гц (5 гармоника), 537 Гц (11 гармоника), 638 Гц (13 гармоника) и 844 Гц (17 гармоника). Иными словами, при наличии нелинейной нагрузки, генерирующей 5, 11, 13 и 17 гармонику в сеть, будет наблюдаться режим резонанса.
Для оценки необходимости фильтрации высших гармоник в исследуемой системе электроснабжения (рис. 1) были проведены физические измерения показателей качества электроэнергии. Измерения производились в соответствии с действующей нормативной документацией. Были использованы приборы Fluke 435 и Metrel 2792А. Измерения производились на СШ 6 кВ, осциллограмма и спектральный состав напряжений приведены на рисунках 8 и 9 соответственно.
6920
3460
И
I—г 1—'
-3460
-6920
1 V X 1 1 ! / \ 1 >—\ / > / 1
\! /Т ! ЧК> г- 1 - X
/Г\ / / / > / 1 ч \ \
/ / ! У\ \ \ 1
_ г ¡X ! \ 1 Л—
1 \ \ 1 / У1 _1 1_1 / 1
0.004
0.008
0.012
-В
0.016
0.02
^ С
Рисунок 8 - Осциллограмма напряжений на СШ 6 кВ
а
Г
о
- 1-
1
1
*—I-1— ^ | Т 1 I 1 щ"1
10
15
Номер гармоники
Рисунок 9 - Спектральный состав сигнала напряжения на СШ 6 кВ
Результаты измерений показывают, что в сети 6 кВ присутствуют гармоники, на которых возможен режим резонанса и опасные перенапряжения. Для защиты электрических сетей и уменьшения влияния высших гармоник в данном случае необходимо применение фильтров [3].
Заключение и выводы
1. В электрических сетях нефтедобывающих предприятий постоянно растет доля электрических нагрузок, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику, что, в конечном счете, является причиной появления высокочастотных составляющих (высших гармоник) тока и напряжения. Высшие гармоники приводят к перегрузке токоведущих частей, а для батарей статических конденсаторов - могут стать причиной преждевременного выхода из строя или даже физического разрушения.
2. В работе представлена методика расчета резонансных режимов в электрической сети 110/35/6 кВ. Основные источники гармонических искажений представлены на классе напряжения 0,4 кВ. Такими источниками являются станции управления погружными электродвигателями. Существенная доля нелинейной нагрузки 0,4 кВ вызывает искажения несинусоидальности на стороне 6 кВ. При этом возможны двукратные перенапряжения.
3. В работе представлены зависимости кратности перенапряжений от частоты, что позволило определить резонансные частоты, способные нанести ущерб электрооборудованию.
Результат физических измерений показателей качества электроэнергии с применением сертифицированного оборудования, показал наличие высших гармоник, способных привести к резонансу в электрической сети.
Результаты работы могут быть использованы для расчета режимов электрических сетей на стадии проектирования или при планировании установки технических устройств по фильтрации высших гармоник в распределительных сетях 0,4-6 кВ.
Литература
1. Коверникова, Л. И. Один из подходов к поиску резонансных режимов на высших гармониках / Л. И. Коверникова, С. С. Смирнов. - Текст : непосредственный // Электричество. -2005. - № 10. - С. 62-69.
2. Николаев, А. А. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения металлургического предприятия / А. А. Николаев, Г. П. Корнилов, Т. Р. Храмшин, Г. Никифоров, Ф. Ф. Муталлапова. -Текст : непосредственный // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. - 2016. - Т. 14, № 4. - С. 96-105.
3. Расчет резонансных режимов систем электроснабжения и разработка мероприятий по фильтрации высших гармоник / В. А. Ощепков [и др.]. - Текст : непосредственный // Промышленная энергетика. - 2018. - № 9. - С. 10-16.
4. Павлов, И. В. Изучение электромагнитной совместимости конденсаторных установок в системе электроснабжения ОАО «Ячинский НПЗ ВНК» при наличии высших гармоник / И. В. Павлов, О. А. Дружинин, Д. А. Скакунов, В. П. Твердохлебов, Ф. А. Бурюкин. - Текст : непосредственный // Технологии нефти и газа. -2011. - № 1. - С. 41 43.
5. Atkinson-Hope, G. Decision theory process for making a mitigation decision on harmonic resonance / G. Atkinson-Hope, K. A. Folly // IEEE Transactions on Power Delivery. - Vol. 19, Issue 3. - Pp.1393-1399, July 2004. - DOI: 10.1109/TPWRD.2004.829142.
6. Osipov, D. S. Calculation of currents resonance at higher harmonics in power supply systems based on wavelet packet transform / D. S. Osipov, D. V. Kovalenko, N. N. Dolgikh // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) (14-16 Nov, 2017) // IEEE Conference Publications. Omsk, Russia. - DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239492.
7. Huang, Z. A practical harmonic resonance guideline for shunt capacitor applications / Z. Huang, W. Xu, V. R. Dinavahi // IEEE Transactions on Power Delivery. - Vol. 18, Issue 4. -Pp.1382-1387, Oct 2003. - DOI: 10.1109/TPWRD.2003.817726.
