Снижение потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ с помощью фильтросимметрирующего устройства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

минимизации эксергетических потерь, возникающих вследствие неравновесности вышеназванных процессов в рассматриваемой термодинамической системе, в целом имеет вид:

А = \\p~7dvdt -> min. (28)

t у at

Оценка степени совершенства энергоэнтропийных процессов в системе охлаждения поршневых энергоустановок по характеру убывания эксергии позволяет подобрать рациональные значения термодинамических параметров рассматриваемых процессов, оптимизировать размеры теплообменных аппаратов. При таком подходе можно ставить вопрос об установлении более точной функциональной зависимости между процессами тепловыделения в цилиндре двигателя и теплопередачи через стенки цилиндров с целью минимальной диссипацией теплоты, соответственно, эксергетических потерь.

Литература

1. Зейнетдинов P.A. Оптимальная организация процессов необратимого тепломассообмена в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания//Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2010. - №21. - С. 260-268.

2. Зейнетдинов P.A. Системный анализ теплоиспользования в поршневых двигателях: Монография. -СПб.: СПбГУСЭ, 2012. - 171 с.

3. Зейнетдинов P.A. Анализ эксергетических потерь в выпускной системе поршневых двигателей применением принципов неравновесной термодинамики//Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - №24. - С.301-307.

4. Зейнетдинов Р. А. Теоретические основы энтропийно-статистического анализа энерготехнологических процессов в поршневых двигателях: Монография/ СПбГАУ. - СПб, 2011. - 155 с.

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

(СПбГАУ, 4762118®>таП.га) Канд. техн. наук Н.В. ВАСИЛЬЕВ (СПбГАУ, рго&от^аШЭтаП.ги) Соискатель Е.С. КУЗНЕЦОВА (СПбГАУ, е1епок79(й)таП.т)

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ОТ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ В СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОСИММЕТРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Потери мощности, несимметрия токов, сельские электрические сети, фильтросимметрирующее устройство

Технологические потери электроэнергии в сельских сетях за последнее десятилетие выросли почти в 3 раза и достигают 30%. Причиной этого является рост в сетях 0,38 кВ доли однофазной нагрузки по сравнению с трехфазной симметричной нагрузкой [1].

Известно, что сельские электрические сети 0,38 кВ работают в несимметричном режиме, потери электроэнергии в которых в 2 и более раз превышают потери в симметричном режиме [3].

Кафедрой Электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ разработано фильтросимметрирующее устройство (ФСУ) для трехфазной сети с нулевым проводом [2]. Оно предназначено для снижения потерь и повышения качества электроэнергии в сетях 0,38 кВ.

ФСУ (рис. 1) содержит три конденсаторные батареи (КБ), соединенных в звезду, каждая из которых состоит из трех (и более) отдельных конденсаторов, соединенных параллельно: 1-я батарея имеет конденсаторы 1, 2, 3; 2-я - 4, 5, 6; 3-я - 7, 8, 9. В нулевой точке КБ "0" подключается рабочая обмотка 10 магнитного усилителя (МУ), обмотка управления 11 которого питается от выпрямителя 14 через резисторы 12 и 13. Таким образом, три КБ и рабочая обмотка 10 МУ, включенная между нулевым проводом N сети и нулевой точкой "0" КБ, соединены последовательно и работают в режиме резонанса напряжения, при котором выполняется условие:

Хь=^ или ЗХЬ = ХС , (1)

где Хь - индуктивное сопротивление рабочей обмотки МУ; Хс - емкостное сопротивление КБ.

Электрическая цепь ФСУ ""КБ-МУ настраивается в резонанс при емкостях 1-4-7, изменением тока подмагничивания обмотки управления МУ с помощью резисторов 12, 13.

сети с нулевым проводом

Если в трехфазной сети 0,38 кВ имеет место недокомпенсация реактивной мощности, то с помощью контакторов 16 включают вторую секцию КБ 2, 5, 8, одновременно шунтируют резистор 13; при этом увеличивается ток подмагничивания 10 , возрастает насыщение ферромагнитных сердечников МУ, уменьшается их магнитная проницаемость и индуктивность Ьр рабочих обмоток 10, устанавливается равенство (1). Дальнейшее увеличение эффекта компенсации реактивной мощности сети достигается включением с помощью контактов 17, третьей ступени КБ 3, 6, 9 и одновременным шунтированием резистора 12.

Таким образом, ФСУ, включенное с помощью контактов 15 в трехфазную сеть 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой, обладая малым сопротивлением нулевой последовательности (активным сопротивлением рабочей обмотки МУ), будет шунтировать токи нулевой последовательности сети, снижая потери в линии и трансформаторе и повышая качество электрической энергии.

В статье приведены результаты экспериментального исследования ФСУ, проведенного на кафедре Электроэнергетики и электрооборудования СПбГАУ на физической модели трехфазной четырехпроводной сети 0,38 кВ.

Физическая модель электрической сети 0,38 кВ (рис. 2) содержит трехфазный автотрансформатор АТ для регулирования входного напряжения на зажимах силового трансформатора У/Ун, номинальной мощностью 25 кВА с коэффициентом трансформации 1,0 и номинальным напряжением 0,38 кВ. На входе трансформатора и на его выходе включены измерительные устройства "Энергомонитор 3.3" №1 и №2. К "Энергомонитор 3.3" №2 подсоединена воздушная линия ВЛ 0,38 кВ, выполненная проводом марки СИП-4 сечением 25 мм2, длиной 370 м. В конце ВЛ 0,38 кВ включен "Энергомонитор 3.3" №3. Необходимость трех "Энергомониторов 3.3" объясняется требованием при экспериментальном исследовании потерь мощности в сети, измерении потерь мощности АРт в трансформаторе, Вт:

АР = Р — Р

1л1т 1 вх 1 вых1?

и потерь мощности в линии АРЛ, Вт:

ЛР = Р — Р

1Л1л 1 вых 1 1 еыл-25

где Рах - активная мощность на входе трансформатора, измеренная "Энергомонитором 3.3"

№1;

Рвых 1 ~ активная мощность на выходе трансформатора, измеренная "Энергомонитором 3.3" №2; Рвьа,2 - активная мощность на выходе линии, измеренная "Энергомонитором 3.3" №3.

I <),38/0.3К

АТ

л

в о-0

| 2 Е

Л,

В.

С,

О— ЛГ

В.1 0.38 а, в,

—О------о-

Узел нагрч зки

в

Рис. 2. Схема физической модели электрической сети 0,38 кВ

На выходе "Энергомонитора 3.3" №3 включен узел нагрузки, содержащий трехфазную регулируемую активную нагрузку, максимальной мощности 25 кВт и два трехфазных асинхронных электродвигателя мощностью 4,5 кВт каждый, нагрузкой которых являются генераторы постоянного тока. Исследования проводились для двух способов присоединения ФСУ: 1-й способ - ФСУ зажимами А, В, С, N (рис. 1) подключалось к зажимам а, в, с, п в узле нагрузок; 2-й способ - ФСУ теми же зажимами подключалось в начале воздушной линии к зажимам аг щ .

По результатам опытов рассчитаны, кроме потерь мощности в трансформаторе и линии, следующие физические величины:

коэффициент обратной последовательности токов К21', коэффициент нулевой последовательности токов К0{,

общий коэффициент потерь мощности в трансформаторе от несимметрии токов [3], расчетный:

= 1 + + К01 х ~ (2) коэффициент потерь мощности в линии от несимметрии токов [3], расчетный:

Кпз(л) = 1 + К-21 + х ; потери мощности в трансформаторе (в линии): от токов прямой последовательности:

= 3/1^1 ; (ЬРцл) = З/1 #1 (,)); от токов обратной последовательности:

(яг) = (яг) ; (&Р2(л) =

от токов нулевой последовательности:

Д^О(яг) = З/о^о(яг) ? (ДР0(л) =

суммарные потери мощности от несимметрии токов в трансформаторе (в линии):

АРпз = АР1 + АР2 + ДР0;

коэффициент потерь мощности от несимметрии токов в трансформаторе У/Уи (в линии), опытный:

Кпз=^- (3)

Таблица 1. Результаты расчета коэффициента потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ с трансформатором К/К„ : по данным измерений; изменяется однофазная активная нагрузка

Элемент Физ. Ед. Номер опыта Примечание

сети величина измер. 1 2 3 4 5

Измерено

Р £ вх Вт 1797 2904 4546 5419 5954

р 1 вых 1 Вт 1689 2706 4209 4859 5277

а о ^вых 2 Вт 1551 2454 3572 4042 4287

Й з 3 ^ а о и к к А 2,55 4,31 6,93 8,39 9,31

к А 2,55 4,31 6,93 8,39 9,31

а* 03 н" /о А 2,55 4,31 6,93 8,39 9,31

К21 о.е. 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Ко ь о.е. 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Ко и о.е. 5,45 9,8 15,63 18,59 20,54

Вычислено

АР, Вт 3,941 11,257 29,103 42,658 52,526 го=4,950м

Д Р2 Вт 3,941 11,257 29,103 42,658 52,526 Д0=2,72Ом

о Й АР0 Вт 53,06 151,581 391,883 574,4 707,277 г^олбдом

з * др ^1 П5(т) Вт 60,942 174,095 450,089 659,716 812,329 Д1=0,2020м

АРМ(0) Вт 108,4 197,4 337 560 676

и 03 а % 6,03 6,8 7,41 10,33 11,35 АРи,(0) - опытные

Н КПБ(,ф. 2) о.е. 15,465 15,465 15,465 15,465 15,465

КП5(ф. 3) о.е. 15,465 15,465 15,465 15,465 15,465 данные потерь

АР, Вт 9,012 25,746 66,563 97,563 120,133 Провод Сип-4

А Р2 Вт 9,012 25,746 66,563 97,563 120,133 4x25мм2

АР0 Вт 27,525 78,633 203,303 297,970 366,900 Длина 370м

Линия А РПх(л) Вт 45,549 130,125 336,429 493,096 607,166 г0=1,467Ом

АРЛ(о) Вт 138 253 637 816 990 Д0=1.411Ом

% 7,68 8,71 14,01 15,06 16,63 Д1=0,4620м

КП5(ф. 2) о.е. 5,054 5,054 5,054 5,054 5,054 АРЛ(0) " опытные

КП5(ф. 3) о.е. 5,054 5,054 5,054 5,054 5,054 данные потерь

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

с трансформатором У/У п и ФСУ, подключенным в узле нагрузок: по данным измерений; изменяется

однофазная активная нагрузка

Элемент Физ. Ед. Номер опыта Примечание

сети величина измер. 1 2 3 4 5

Измерено

Р,- Вт 1956 3219 5298 6440 7364

Р. Вт 1860 3072 5128 6197 7137

о н ^вых 2 Вт 1742 2916 4816 5749 6583

СЗ ^ а о и Я к А 7,31 8,00 9,72 10,76 12,12

к А 2,81 4,83 8,16 10,01 11,48

к А 0,82 1,53 2,45 3,42 3,28

СЗ £ К21 о.е. 0,11 0,19 0,25 0,32 0,27

Км о.е. 0,38 0,6 0,84 0,93 0,95

Ко и о.е. 1,79 3,15 5,63 6,98 7,85

Вычислено

АР, Вт 32,38 38,78 57,25 70,16 89,02 г0=4,95Ом

А Р2 Вт 4,79 14,14 40,35 60,72 79,86 Д0=2,72Ом

эансформатор' ФСУ в узле нагрузок ДР0 Вт 5,49 19,10 48,98 95,44 87,79 71=0?2690м

АР-пяОп) Вт 43,66 72,02 146,58 226,32 256,67 Д1=0,2020м

^Рщ(О) Вт 96 147 170 243 227

% 4,9 4,57 3,21 3,77 3,08 ДР„,(о) - опытные

КП5(ф.2) о.е. 1,348 1,857 2,560 3,226 2,883

н КП5(ф. 3) о.е. 1,307 1,846 2,547 3,244 2,884 данные потерь

АР, Вт 74,06 88,70 130,95 160,47 203,6 Провод Сип-4 4x25мм2

А Р7 Вт 10,94 32,33 92,29 138,88 182,66

ДР0 Вт 2,85 9,91 25,41 49,51 45,54 Длина 370м

Линия &Р?15(Л) Вт 87,85 130,94 248,65 348,86 431,80 г0=1,467Ом

АРЛ(0) Вт 118 156 312 448 554 Д0=1,411Ом

% 6,03 4,85 5,89 6,96 7,52 Д1=0,4620м

КП5(ф.2) о.е. 1,186 1,476 1,899 2,174 2,121 АРЛ(о) - опытные

КП5(ф. 3) о.е. 1,181 1,470 1,896 2,178 2,125 данные потерь

ТаблицаЗ. Результаты расчета коэффициента потерь мощности от несимметрии токов в сети 0,38 кВ с трансформатором К/К„ и ФСУ, подключенным к шинам НН: по данным измерений; изменяется

однофазная активная нагрузка

Элемент Физ. Ед. Номер опыта Примечание

сети величина измер. 1 2 3 4 5

Измерено

р 1 вх Вт 1808 2983 4858 5908 6550

р 1 вых 1 Вт 1725 2872 4668 5687 6288

о н Рвых 2 Вт 1604 2569 3895 4521 4837

СЗ 3 3 ^ а о я ■&1 Я к А 7,27 7,86 9,31 10,36 11,11

к А 2,72 4,58 7,52 9,2 10,23

ё 4 к А 1,17 1,91 2,9 3,51 3,8

сз н" Кп о.е. 0,16 0,24 0,31 0,34 0,34

Ко ь о.е. 0,37 0,58 0,81 0,89 0,92

Кои о.е. 2,56 4,39 6,93 8,26 9,21

Вычислено

■ АР, Вт 32,03 37,44 52,53 65,04 74,8 г0=4,95Ом

I я К а к — ** > 2 А Р2 Вт 4,48 12,71 34,27 51,29 63,42 Д0=2,72Ом

ДР0 Вт 11,17 29,77 68,63 100,53 117,83 7!=0,2690М

У аО а Я 1 АР-пяОп) Вт 47,68 79,92 155,43 216,86 256,05 И^ОЛОЮм

^Рщ(О) Вт 83 111 190 221 262 ДР„,(о) - опытные данные потерь

Продолжение таблицы 3

Элемент сети Физ. величина Ед. измер. Номер опыта Примечание

1 2 3 4 5

АР„,(0) % 4,59 3,72 3,91 3,74 4,00

К-П5(ф. 2) о.е. 1,489 2,135 2,959 3,334 3,423

КпБ(фЗ) о.е. 1,482 2,112 2,950 3,349 3,403

Линия АР, Вт 73,25 85,63 120,13 148,76 171,08 Провод Сип-4 4x25мм2 Длина 370м г0=1,467Ом Д0=1,4110м ^=0,4620м АРЛ(0) ■ опытные данные потерь

А Р2 Вт 10,25 29,07 78,38 117,31 145,05

ДРо Вт 5,79 15,44 35,60 52,15 61,12

АРП5(Л) Вт 89,29 130,14 234,11 318,22 377,25

АР, !0) Вт 121 303 773 1166 1451

% 6,69 10,16 15,91 19,74 22,15

К-П5(ф. 2) о.е. 1,219 1,520 1,949 2,147 2,205

КП5(ф. 3) о.е. 1,215 1,512 1,950 2,201 2,199

Результаты расчета потерь мощности в трансформаторе У/Ун и в линии без ФСУ приведены в табл. №1, а с ФСУ - в табл. №2 и №3 и на графиках рис.3;4. Сравнивая численные значения коэффициентов потерь мощности от несимметрии токов, рассчитанные по формулам (2) и (3) (Кпз(ф 2) и Кпз(фз) )• видим, что результаты расчета отличаются только во втором знаке после запятой.

Кг.ям | о.е

Рис. 3. Зависимость коэффициента потерь мощности трансформатора У/У,, от входной активной мощности трансформатора при изменении однофазной нагрузки:

1 - без ФСУ; 2 - ФСУ в узле нагрузок; 3 - ФСУ на шинах НН

к™.....с

I

II I } >«3678

IV • II■

Рис. 4. Зависимость коэффициента потерь мощности линии 0,38 кВ от входной активной мощности трансформатора У/Ун при изменении однофазной нагрузки:

1 - без ФСУ; 2 - ФСУ в узле нагрузок; 3 - ФСУ на шинах НН

Таким образом, подтверждается правильность измерения симметричных составляющих токов прямой /] , обратной 12 и нулевой /0 последовательности в сети 0,38 кВ, и в целом правильность результатов экспериментальных исследований.

В табл. 1-3 приведены результаты экспериментальных исследований потерь мощности в сети 0,38 кВ при изменяющейся однофазной нагрузке, хотя эксперимент проведен и для других режимов работы сети:

при переменной несимметричной трехфазной активной нагрузке;

при переменной однофазной активной нагрузке и работающим с полной нагрузкой трехфазным асинхронным электродвигателем номинальной мощностью 4,5 кВт.

Из табл. 1 - 3 и графиков (рис.3 - рис.4) видно, что присоединение ФСУ в сеть 0,38 кВ с трансформатором У/Ун при несимметричной нагрузке позволяет существенно снизить потери мощности в трансформаторе и линии 0,38 кВ. Так, при однофазной нагрузке коэффициент потерь мощности от несимметрии токов в трансформаторе Кпз(ш) при подключении ФСУ в узле нагрузок снижается в 12(10,5) - 5,4(4,5) раза по мере увеличения однофазной нагрузки (рис.3), причем симметрирующий эффект ФСУ зависит от способа его включения. Наибольший эффект ФСУ оказывает при его включении в узле нагрузки. При подключении ФСУ к шинам НН трансформатора его симметрирующий эффект немного снижается, что видно из данных, приведенных выше в скобках.

Коэффициент потерь мощности от несимметрии токов в линии 0,38 кВ Кпз(при включении ФСУ в узле нагрузок снижается в 4,3(4,1) - 2,4(2,3) раза с увеличением однофазной нагрузки (рис.4).

Одним из качественных показателей электроэнергии в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке является коэффициент нулевой последовательности напряжений Кои . Зависимость этого коэффициента от однофазной нагрузки в сети 0,38 кВ с трансформатором У/Ун приведена в табл. 1 -3. Из этих таблиц видно, что включение ФСУ в узле нагрузок позволяет уменьшить величину Кои в 2,5(2,1)-3,1(2,2) раза.

Таким образом, применение ФСУ в сельских сетях 0,38 кВ с трансформатором У/Ун с несимметричной нагрузкой позволяет снизить потери мощности в трансформаторе и линии и повысить качество электрической энергии. ФСУ, в котором используются конденсаторные батареи, отличается простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, не требует автоматического регулирования при изменении нагрузки. Оно одновременно с симметрирующим эффектом позволяет скомпенсировать реактивную мощность трехфазной сети.

Литература

1. Бородин И.Ф., Сердешнов А.П. Потери электроэнергии в сельских сетях и пути их снижения // Техника в сельском хозяйстве. - 2002. - №1. - С.23-26.

2. Пат. 110876 ИИ. Полезная модель / Ф. Д. Косоухов, А. О. Горбунов, В. А. Романов, М. Ю. Теремецкий. №2011117909; Заявл. 04.05.2011; Зарег. 27.11.2011г.

3. Косоухов Ф.Д., Петров В.Ф., Теремецкий М.Ю., Криштопа Н.Ю. Снижение потерь электроэнергии в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - №5. -С.14-17.

УДК 662.767.2 Канд. техн. наук Д.В. КОСТРОМИН

(Поволжский ГТУ, Ко81гопшгОУ(й)Уо^а1ес11.пе1) Доктор техн. наук В.А. СМЕЛИК

(СПб ГАУ, 8те1&_УА®>таП.га)

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ РАБОТЫ МЕМБРАННО-АБСОРБЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ УДАЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ БИОГАЗОВОЙ СМЕСИ

Мембранные технологии, очистка биогазовых смесей, вычислительный эксперимент, абсорбер, десорбер

Теоретические и экспериментальные исследования по качественной очистке и выделению требуемого компонента биогаза при помощи мембранно-абсорбционных газоразделительных систем позволили получить математические модели функционирования мембранных модулей,