CC BY
24
УДК621.3.016.313.+621.316.1
УПРАВЛЕНИЕ НЕСИММЕТРИЕЙ ТОКОВ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
М.С. ГРИНКРУГ, И.А. МИТИН Дальневосточная государственная социально-гуманитарная академия (ДГСГА)
Рассмотрены две схемы управления режимами работы электрораспределительной сети низкого напряжения. Системы управления позволяют подключать любую из однофазных нагрузок к любой фазе понижающего трансформатора или трехфазной линии 0,4 кВ. Управление выключателями, подключающими и отключающими нагрузки к питающим фазам, осуществляется по сигналам микроконтроллера, который по специальной программе из условия минимизации, несимметрии токов определяет, какую нагрузку, к какой фазе требуется подключить в данный момент времени.
Системы управления позволяют уменьшать несимметрию токов в линиях электропередач и понижающих трансформаторах в режиме реального времени, что уменьшает потери энергии в них.
Ключевые слова: распределительные сети, несимметрия токов, потеря электроэнергии, электропередающие сети.
Распределительные сети низкого напряжения 6(10)/0,4 кВ состоят, как правило, из трехфазной питающей линии 6(10) кВ без нулевого провода трансформаторных подстанций, понижающих напряжение с 6(10) кВ до 0,4 кВ, и кабельных или воздушных линий 0,4 кВ, соединяющие шины распределительного устройства со стороны низкого напряжения трансформаторной подстанции с потребителями электрической энергии. Потребители электрической энергии можно разделить на две группы:
- трехфазные;
— однофазные, для питания которых используется напряжение между фазой и
нулем.
В жилых городских районах с малоэтажной застройкой при отсутствии лифтов и насосных установок и в сельских районах основные потребители являются однофазными, хотя к шинам подстанций подключаются, как правило, трехфазными кабелями. Величины однофазных нагрузок являются случайными функциями времени. Это приводит к несимметрии токов и напряжений в трансформаторной подстанции и трехфазных линиях электропередач, питающих трансформаторные подстанции и однофазные нагрузки.
Несимметрия токов увеличивает потери в элементах электроснабжающей сети. По данным авторов [1], потери в кабельных линиях при несимметричной нагрузке могут возрастать в 9 раз по сравнению с потерями в линиях при такой же суммарной передаваемой мощности с симметричной нагрузкой. Несимметрия характеризуется коэффициентом несимметрии, который определяется по формуле
, I тах — I ср
к =-
I ср
где 1 тах - максимальное значение фазного тока в фазе (А), 1 ср - среднее значение фазных токов в трехпроводной линии.
Теоретически возможны значения к от 0 до 2. При обследовании городской электрической сети, содержащей более 500 трансформаторных подстанций, выяснилось, что 42% трехфазных линий электропередач, отходящих от трансформаторных подстанций, имеют коэффициент несимметрии токов более 30% [1]. Соответствующее увеличения потерь энергии в них может достигать 50 и более процентов.
Из литературных источников [2] известны различные способы уменьшения
несимметрии напряжений. Однако существенно уменьшить несимметрию токов в распределительных сетях возможно только с помощью перераспределения нагрузки с одних фаз на другие. Эти переключения необходимо производить синхронно с изменением нагрузок.
Для реализации этого предлагаются две схемы автоматического управления переключениями нагрузок на стороне 0,4 кВ.
Первая схема (рис. 1) предназначена для монтажа на понижающей трансформаторной подстанции и позволяет подключать и отключать любую жилу кабелей, питающих однофазные нагрузки, к любой фазе распределительного устройства 0,4 кВ понижающей трансформаторной подстанции. Система управления состоит из понижающего трансформатора 1, питающей трехфазной линии 2, однофазных нагрузок 3, подключенных к шинам 4 посредством выключателей 7, которые управляются микроконтроллером 6, с использованием сигналов, получаемых с датчиков тока 5, в понижающей трансформаторной подстанции на стороне низкого напряжения.
Рис. 1. Схема управления для снижения потерь электроэнергии от нессиметрии токовтрансформаторной подстанции и сети 6(10) кВ
Сигналы с датчиков тока 5, подключенные к нагрузкам, поступают на входы аналогового микроконтроллера 6, который рассчитывает среднее значение тока. Если токи в фазах трансформатора и питающей лини не одинаковы, то микроконтроллер по специальной программе определяет, какие из нагрузок 3 необходимо отключить от фазы со значением суммарного тока больше среднего, и к каким фазам необходимо подключить эти нагрузки. Микроконтроллер 6 посылает управляющие сигналы на приводы соответствующих выключателей 7, которые отключают эти нагрузки от одних фаз и подключают их к другим фазам. Таким образом, происходит выравнивание нагрузок в фазах трансформатора и питающей трансформатор трехфазной линии, что приводит к снижению потерь в них и уменьшению старения изоляции трансформатора и питающей трехфазной кабельной линии.
Предложенная схема обеспечивает непрерывные снижения коэффициента несимметрии токов в трансформаторе и питающей линии путем переключения нагрузок с более нагруженных фаз на менее нагруженные за счет использования выключателей, управляющихся микроконтроллером, и датчиков тока, установленных на кабельных или воздушных линиях электропередач, соединяющих шины низкого напряжения трансформатора и нагрузки.
Вторая схема показана на рис. 2. Она позволяет уменьшать несимметрию токов не только в трансформаторной подстанции и питающей линии 6 кВ, но и в трехфазных линиях 0,4 кВ, соединяющих трансформаторную подстанцию и нагрузки, и рекомендуется для применения в сельских населенных пунктах. Система управления состоит из понижающего трансформатора 1, питающей трехфазной линии 2, удаленных однофазных нагрузок 3, подключенных к трехфазной линии 0,4 кВ с нулевым проводом 4, датчиков тока 5, установленных на кабелях, соединяющих однофазные нагрузки с линией 0,4 кВ передающими с передающими устройствами 6, посылающими сигнал на приемопередающее устройство 7 микроконтроллера 8, выключателей 9 с приводами, подсоединяющими нагрузку к фазам линии 0,4 кВ с приемными устройствами 10, датчиков тока 11, установленных на шинах 0,4 кВ трансформатора и подающих сигнал на аналоговые входы микроконтроллера.
Рис. 2. Схема управления для снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях 6(10)-0,4 кВ
Сигналы с датчиков тока 5 передаются на приемопередающие устройство 7 микроконтроллера 8 и одновременно сигналы с датчиков тока 11 поступают на аналоговые входы микроконтроллера 8, который рассчитывает среднее значение тока и, если токи в фазах трансформатора и питающих фазах линии электропередач нагрузки не одинаковы, то по специальной программе микроконтроллер определяет, какую из нагрузок 3 необходимо отключить от фазы со значением суммарного тока
больше среднего, и к какой фазе со значением тока меньше среднего необходимо подключить эту нагрузку. Микроконтроллер 8 с помощью приемопередающего устройства 7 посылает управляющий сигнал приемным устройствам 10, которые управляют приводами выключателей 9, подсоединяющих нагрузку к фазам линии 0,4 кВ, которые отключают нагрузку от более загруженной фазы и подключают ее к менее загруженной фазе. Передача сигнала от датчиков к микроконтроллеру и от микроконтроллера к выключателям может осуществляться по проводам линии или по радио.
Таким образом происходит выравнивание нагрузок в линях 6(10)-0,4 кВ электропередач и фазах трансформатора, что приводит к снижению потерь в них и уменьшению старения изоляции трансформатора и кабельных линий.
Авторами был проведен расчет снижения потерь электроэнергии и экономической эффективности при использовании предлагаемых схем управления переключениями нагрузок. Рассматривалась трансформаторная подстанция 6/0,4 кВ со среднегодовой мощностью 100 кВт, содержащая трехфазный трансформатор с соединением «звезда-звезда с нулевым проводом», номинальной мощностью 160 кВт. Средний коэффициент несимметрии токов нагрузок 0,4 кВ принимался равным 0,25.
Для случая установки устройства, выполненного по схеме 2, были произведены расчет уменьшения потерь энергии в элементах системы электроснабжения и оценка срока окупаемости устройства при его стоимости 150000 рублей. Начальная величина потерь энергии в сети принималась равной 11% от переданной энергии.
Расчетное снижение потерь в линии 0,6 кВ составило 630 кВт-ч, в линиях 0,4 кВ - 13140 кВт-ч, в понижающем трансформаторе - 230 кВт-ч. Срок окупаемости устройства симметрирования нагрузок составил 5,4 года при цене электроэнергии 2 рубля за кВт-ч.
Выводы
1. Предложенные схемы управления подключением нагрузок на стороне низкого напряжения понижающего трансформатора и линии электропередач 0,4 кВ позволяют выравнивать фазные нагрузки во всех элементах системы электроснабжения в режиме реального времени.
2. Использование схем управления подключением нагрузок позволит уменьшить потери энергии в электрических сетях и повысит срок службы кабельных линий и трансформаторов. Наибольшее снижение потерь электроэнергии происходит в линиях 0,4 кВ.
3. С целью исключения провалов напряжения в рассмотренных системах управления требуется применение быстродействующих выключателей типа ВМБМ или ВК.
Summary
Two modes of managing low voltage electric distribution networks have been reviewed. Control systems allow wiretapping any of single-phase loads to any phase of a reducing transformer or triple-phase line of 0.4 kW. Switches, connecting and disconnecting the loads to the supplying phases, are managed by a controller which runs under special application, programmed according to minimization the asymmetric in currents algorithm. The algorithm determines, in a real time mode, what load should be connected to one of the phases available.
Managing systems allow lessening the asymmetric in currents in electric distribution networks and step - down transformers in a real time mode, that is lessen the energy lost.
Key words: Distribution networks, asymmetric in currents, energy loss, power transmission networks, management.
Литература
1. Гринкруг М.С., Митин И. А., Ткачева Ю.И. Влияние несимметрии в трехфазных линиях электропередач на величину потерь // Сборник докладов II ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика и
энергоэффективные технологии». Липицк: ЛГТУ, 2007. С 71-75.
2. Сукьясов С.В. Применение технических средств симметрирования нагрузок в сельских распределительных сетях 0,38 кВ для повышения качества и снижения потерь электрической энергии: Дис...канд. тех. наук: 05.20.02: Иркутск, 2004. 206 с.
Поступила в редакцию 28 августа 2008 г.
Гринкруг Мирон Соломонович - канд. техн. наук, профессор Комсомольск-на-Амуре государственного технического университета (КнАГТУ). Тел: 8(4217) 55-46-05. Е-таИ: grin@knasty.ru
Митин Иван Александрович - аспирант кафедры «ЭП и АПУ» Комсомольск-на-Амуре государственного технического университета (КнАГТУ). Тел: 8 (4242) 74-11-39; 8-924-2819452. Е-таП: asperivan@mail.ru.
