CC BY
110
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
УДК 621.316 Д. С. ОСИПОВ
А. А. ПЛАНКОВ А. Е. БУГРЕЕВА Н. Н. ДОЛГИХ Е. Н. ЕРЕМИН
Омский государственный технический университет
Омский филиал ОАО «ТГК-11»
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА КРИТЕРИИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ__________________________________
В данной статье говорится о несинусоидальности в электроэнергетических системах и возникновении мощности искажения. Также в статье говорится о влиянии высших гармоник на критерии оценки статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой.
Ключевые слова: критерии устойчивости, статическая устойчивость, асинхронная нагрузка, высшие гармоники.
Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.
В сетях современных электроэнергетических систем сложилась непростая электромагнитная обстановка [1]. В связи с отсутствием достоверной информации о качестве электрической энергии на сегодняшний день предлагается электрическая энергия с соответствующим качеством — с искажениями форм синусоидальных кривых тока и напряжения [2 — 4]. Несинусоидальность напряжения — наиболее распространенная помеха в узлах нагрузки электроэнергетических систем [5].
Узлы нагрузки электроэнергетических систем, как правило, потребляют несинусоидальный ток [6 — 8], уровень несинусоидальности которого зависит от состава электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками [8].
Вследствие искажения синусоидальности напряжения режим работы электроэнергетических систем имеет ряд особенностей [9, 10]. Исследования [8] показали, что на предприятиях, где доля электроприемников с нелинейными вольтамперными характеристиками достаточно велика, нагрузка меняется от 20 до 45 % от мощности питающего трансформатора, т.е. сети [8].
Известно несколько подходов к определению полной мощности, согласно одному из которых [11 — 14]:
5 = >/Р2 + О2 ,
где Р и О — активная и реактивная мощности сети соответственно.
Также известно [15— 17], что источник гармоник является источником мощности на высших гармониках, которая может быть определена по формулам:
Риг = t iui cos ji , (2)
i=2
Оиг = t Щ sin j, . (3)
i=2
Следовательно, в случае искажения синусоидальности напряжения в узле нагрузки сумма квадратов активной и реактивной мощностей окажется меньше квадрата полной мощности [ 18]. Это обусловлено появлением еще одной мощности — мощности искажения D [10-13, 17]:
S = VP2 + Q2 + D2 . (4)
На рис. 1 представлено графическое толкование формулы (2) [13]. Однако такое толкование в настоящее время «не имеет должных обоснований», поэтому велика доля вероятности того, что реальные физические процессы, происходящие в электроэнергетических системах при возникновении несинусо-идальности, отражаются не совсем точно [13].
Мощность искажения может быть рассмотрена как характеристика изменения формы результирующего электромагнитного поля относительно элек-
Рис. 1. Графическое толкование формулы (4)
Рис. 2. Схема электроэнергетической системы
Рис. 3. Анализ устойчивости узлов электроэнергетических систем
аР „
с асинхронной нагрузкой по критерию — > 0
ая
без учета высших гармоник и с учетом высших гармоник
Рис. 4. Анализ устойчивости узлов электроэнергетических систем
йО
с асинхронной нагрузкой по критерию
аи
без учета высших гармоник и с учетом высших гармоник
тромагнитного поля основной гармоники и определена по формуле [12]:
О = и и I,
(5)
где ии — действующее значение искажающей компоненты напряжения; I — действующее значение тока.
При этом составные части мощности искажений, создаваемые отдельными гармониками, имеют разные знаки вследствие разнонаправленности гармоник [12].
Величины активной и реактивной мощностей, возникающих от действия высших гармоник, составляют единицы процентов от суммарной мощности искажения [12]. При этом активная и реактивная мощности всего спектра высших гармоник соизмерима с активной и реактивной мощностям на основной гармонике [12]. Следовательно, вся мощность от действия высших гармоник входит в состав мощности искажения [12].
Вследствие роста требований к качеству электрической энергии актуальной является задача определения мощности искажений [12]. Использование рядов
Фурье позволяет математически описать несинусоидальные режимы [8, 19, 20].
Влияние источника высших гармоник, подключенного в узле электрических нагрузок параллельно эквивалентному электродвигателю, будет заключаться в дополнительной подпитке активной и реактивной мощностями узла нагрузок (рис. 2).
Рассмотрим каждый критерий оценки устойчивости узлов нагрузки электроэнергетических систем [21] с учетом высших гармоник.
ёР
Рассмотрим критерий — > 0. При протекании ёз
токов высших гармоник возникающие тормозящие моменты снизят результирующий момент двигателя. Однако, как показали расчеты, момент снизится незначительно (до 3 %) (рис. 3), т.е. возникающие высшие гармоники не оказывают существенного влияния
на критерий ёР > 0. Следовательно, критерий ёР > 0 ёз ёз
не позволяет в полной мере судить об устойчивости узлов ЭЭС.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Рис. 5. Анализ устойчивости узлов электроэнергетических систем
- - аЕ 0
с асинхронной нагрузкой по критерию = ° без учета высших гармоник и с учетом высших гармоник
Рассмотрим критерий = _х. На характеристику потребляемой асинхронным двигателем реактивной мощности источник высших гармоник, очевидно, не окажет никакого влияния, поскольку дополнительные потоки реактивной мощности в обмотках статора и наведенные этими гармониками высокочастотные ЭДС ротора лишь пропорционально некоторой постоянной величине увеличат потоки реактивных мощностей в двигателе. Такое увеличение приведет к линейному перемещению относительно оси ординат характеристики результирующей мощности 0Ад=1(и), как показано на рис. 4.
Данное обстоятельство позволяет судить о неиз-
ёО
менности полученного по критерию ~и = -¥ значения критического напряжения при наличии в узле источника высших гармоник. Следовательно, анализировать устойчивость узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой по критерию
ёО п
----= _¥ также нецелесообразно.
ёи
Рассмотрим критерий = 0. Эквивалентная
ЭДС системы может быть определена по известной формуле:
Аналогичный фактор влияния на снижение коэффициента запаса по статической устойчивости окажет и источник гармоник, подключенный в узле нагрузок (рис. 5).
Следовательно, формула (3) может быть переписана в следующем виде:
иНОМ + "
°АД ОИГ К + {РАД РИГ)'
иН
2
иН
(7)
От величины мощности источника гармоник напрямую будет зависеть степень снижения коэффициента запаса (степень увеличения критического напряжения) статической устойчивости узла нагрузок.
Расчеты для конкретного случая показали, что б аЕ 0 без учета высших гармоник по критерию = 0
значение критического напряжения равно 0,728 о.е., а с учетом высших гармоник — 0,84 о.е. Таким образом, учет высших гармоник позволил уточнить значение критического напряжения на 15,4 %. При этом и снизился коэффициент запаса устойчивости узла нагрузки электроэнергетической системы:
кз1 = ином _ ихр1 . 100 % = 1 _ 0,728 . 100 % = 27,2 %;
и НОМ 1
Еэ
иН
Охс
иН
Рхс
V ином 0
(6)
При наличии в узле подключения асинхронного двигателя некоторого источника мощности, таковым может быть, например, БСК или источник высших гармоник уменьшается количество мощности (как реактивной в случае с БСК, так и активной и реактивной при источнике гармоник), передаваемой из энергосистемы узлу. Таким образом, уменьшается значение эквивалентной ЭДС.
ёЕ
Используя критерий Жданова (-------= 0) для слу-
ёи
чая компенсации реактивной мощности в рассматриваемом узле и построив зависимости Е=1(и) для различных уровней компенсации, приходим к общеизвестному выводу: при увеличении коэффициента мощности совф®1 коэффициент запаса по статической устойчивости для узла нагрузок уменьшается.
кз2 = инШ—и_кр2 . 100 0% = 1 °-84 . 100 % = 16 %.
иН
1
Однако озвученная задача не будет являться линейной. Широко известно, что высшие гармоники являются источником дополнительного нагрева токоведущих частей. При питании обмоток асинхронного двигателя несинусоидальными токами в результате их нагрева изменятся величины сопротивлений, входящих в схему замещения, что в итоге и вызовет изменение потребления реактивной мощности непосредственно двигателем.
Библиографический список
1. Выбор базового объекта исследования электромагнитной совместимости в замкнутых сетях от 6 до 35 кВ северных месторождений газа / С. Б. Долгушин [и др.] // Новосибирск : Научные проблемы Сибири и Дальнего Востока. — 2009. — № 2. - С. 250-254.
е
э
2
2
2. Электромагнитная совместимость преобразователей частоты в промышленных электрических сетях / И. В. Жежеленко [и др.] // Вести в электроэнергетике. - 2010. - № 1. -С. 16-21.
3. Макаров, А. Г. Актуальные вопросы качества электрической энергии на фоне реструктуризации российской энергетической системы / А. Г. Макуров // Энергонадзор-информ. — 2006. - № 4 (30). - С. 20-23.
4. Третьяков, А. Н. Влияние высших гармоник в сельских распределительных сетях 0,38 кВ на показатели качества электрической энергии : дис. ... канд. техн. наук / А. Н. Третьяков. - Иркутск : ИрГСХА, 2006. - 190 с.
5. Кузнецов, В. Г. Электромагнитная совместимость. Не-симметрия и несинусоидальность напряжения / В. Г. Кузнецов, Э. Г. Куренный, А. П. Лютый. - Донецк : Донбасс, 2005. -249 с.
6. Гармоники в электрических системах / Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер ; пер с англ. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.
7. Харлов, Н. Н. Спектры токов электрических нагрузок городских электрических сетей / Н. Н. Харлов // Ползунов-ский альманах (АГТУ). - 2004. - № 4.- С. 252-255.
8. Харлов, Н. Н. Энергетические спектры напряжений и токов узлов нагрузки / Н. Н. Харлов // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - № 7. - С. 75-79.
9. Гулиев, Г. Б. Методические особенности расчета и измерения мощности (энергии) в цепях с нелинейной нагрузкой / Г. Б. Гулиев // Проблемы энергетики. - 2008. - № 4. -С. 46-52.
10. Вопросы моделирования устройств обеспечения качества электрической энергии / В. Н. Горюнов [и др.] // Омский научный вестник. - 2013. - № 1 (117). - С. 168-173.
11. Беленький, И. Я. Измерение полной мощности сети и ее составляющих в трехфазных электрических сетях с несимметричной и нелинейной нагрузкой / И. Я. Беленький, В. В. Ост-роверхов, Р. А. Тимиргалиев // Приборы. - 2012. - № 8. -С. 49-56.
12. Машкин, В. А. Определение электроэнергетических характеристик и повышение качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения : дис. . канд. техн. наук / В. А. Машкин. - Красноярск : СФУ, 2008. - 152 с.
13. Сулайманов, А. О. Неактивная мощность и ее составляющие в электроэнергетических системах : дис. ... канд. техн. наук / А. О. Сулайманов. - Томск : ТПУ, 2009. - 135 с.
14. Фархадзаде, Э. М. Мощность и энергия искажения в однофазных цепях с линейной нагрузкой / Э. М. Фархадзаде, Г. Б. Гулиев // Проблемы энергетики. - 2003. - № 3. -С. 32-39.
15. Смирнов, С. С. Свойства активных мощностей гармоник искажающих нагрузок / С. С. Смирнов // Электричество. -2008. - № 3. - С. 45-49.
16. Шидловский, А. К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А. К. Шидловский, В. Г. Кузнецов. -Киев : Наук. думка, 1985. - 268 с.
17. Горюнов, В. Н. Расчет потерь мощности от влияния высших гармоник / В. Н. Горюнов, Д. С. Осипов, А. Г. Люта-ревич // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. - С. 268-273.
18. Шклярский, Я. Э. Влияние гармонического состава тока и напряжения на мощность искажения / Я. Э. Шклярский, А. А. Брагин, В. С. Добуш // Нефтегазовое дело. - 2012. -№ 4- С. 26-32.
19. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 184 с.
20. Использование метода гармонического баланса для расчета несинусоидальных и несимметричных режимов в системах электроснабжения / Л. А. Кучумов [и др.] // Электричество. - 1999. - № 12. - С. 10-22.
21. Моделирование критических режимов работы узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой при исследовании статической устойчивости на промышленной частоте / А А Планков [и др.] // Омский научный вестник. -2013. - № 1 (117). - С. 173-178.
ОСИПОВ Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ПЛАНКОВ Александр Анатольевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.
БУГРЕЕВА Александра Евгеньевна, техник-теплотехник 5-го теплового района структурного подразделения «Тепловые сети» ОАО «ТГК-11».
ДОЛГИХ Надежда Николаевна, инженер 2-й категории диспетчерского сектора института заочного обучения ОмГТУ.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», декан машиностроительного института ОмГТУ.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 04.03.2013 г.
© Д. С. Осипов, А. А. Планков, А. Е. Бугреева, Н. Н. Долгих, Е. Н. Еремин
Книжная полка
Сибикин, Ю. Д. Техническое обслуживание, ремонт электрооборудования и сетей промышленных предприятий : учебник для начального профессионального образования. В 2 кн. Кн. 1 / Ю. Д. Сибикин. - 6-е изд., стер. - М. : Academia, 2012. - 208 с. - ISBN 978-5-7695-8617-0.
Учебник состоит из двух книг. В книге 1 приведены общие сведения о материалах, инструментах, приспособлениях и механизмах, используемых электромонтерами по ремонту и обслуживанию электрооборудования и сетей промышленных предприятий. В книге 2 даны технические характеристики основных видов обслуживаемого оборудования, воздушных и кабельных линий, электроосветительных установок и цеховых электросетей. Рассмотрены вопросы технического обслуживания и ремонта электроустановок. Для учащихся учреждений начального профессионального образования.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
