CC BY
28
© А.А. Геркусов, Е.И. Грачева, О.А. Шумихина УДК 621.31
ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,4-20 КВ
Геркусов1 А.А., Грачева2 Е.И., Шумихина2 О.А.
казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ 2Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
epp. kgeu@mail. ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Провести исследование причин возникновения несимметричных режимов, возникающих при разных значениях токов в фазах линии электропередач (ЛЭП) и провести оценку параметров режима. МЕТОДЫ. Используются и анализируются различные методы расчета потерь электроэнергии при несимметричных режимах работы ЛЭП- метод симметричных составляющих и метод фазных координат. РЕЗУЛЬТАТЫ. Оценивается влияние несимметрии токовой нагрузки в фазах линий на величину абсолютных и относительных потерь электроэнергии в распределительных линиях электропередач напряжением 0,4-20 кВ. Предлагаются способы симметрирования нагрузок в фазах линий и снижение составляющей потерь электроэнергии от несимметрии. Проведена оценка влияния несимметричной нагрузки на величину относительных потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях 10 кВ и влияния несимметрии нагрузок на величину потерь электроэнергии в четырехпроводных сетях 0,4 кВ. Представлены результаты расчетов абсолютной и относительной величины потерь электроэнергии в распределительных сетях при несимметричной нагрузке. Определены функциональные зависимости относительных потерь электроэнергии от коэффициента несимметрии для воздушных линий напряжением 10 кВ, выполненных проводами различных сечений марки АС. Определены зависимости влияния несимметрии токовой нагрузки на значение относительных потерь электроэнергии в четырехпроводных воздушных и кабельных линиях напряжением 0,4 кВ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Обоснованы причины возникновения несимметричных режимов в распределительных сетях 0,4-20 кВ. Предложены основные мероприятия, направленные на снижение потерь мощности и электроэнергии в четырехпроводных электрических сетях до 1000 В от несимметрии токовых нагрузок. Установлено, что для снижения потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях необходимо применение дополнительных технических мероприятий, направленных на выравнивание нагрузок по фазам и симметрирование установившегося режима.
Ключевые слова: потери электроэнергии; несимметричная нагрузка; распределительные сети; трансформаторный пункт; номинальное напряжение; симметричные составляющие.
Для цитирования: Геркусов А.А., Грачева Е.И., Шумихина О.А. Влияние несимметричной нагрузки на потери электроэнергии в распределительных сетях 0,4-20 кВ // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №2 (54). С. 15-28.
INFLUENCE OF NON-SYMMETRIC LOAD ON LOSS ELECTRICITY IN DISTIBUTION NETWORKS 0,4-20 KV
AA. Gerkusov1, EI. Gracheva2, OA. Shumikhina2
1Kazan National Research Technical University IM. A. N. Tupolev - KAI 2Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
epp. kgeu@mail. ru
Abstract: THE PURPOSE. Conduct a study of the causes of the occurrence of asymmetric modes that occur at different values of currents in the phases of the power line (TL) and evaluate the parameters of the mode. METHODS. Various methods for calculating power losses in asymmetric power transmission modes are used and analyzed - the method of symmetrical components and the method of phase coordinates. RESULTS. The influence of the current load asymmetry in the
phases of the lines on the magnitude of the absolute and relative losses of electricity in distribution power lines with a voltage of 0.4-20 kV is estimated. Methods for balancing loads in the phases of lines and reducing the component of electricity losses from asymmetry are proposed. The influence of asymmetric load on the value of relative power losses in distribution electrical networks of 10 kV and the effect of load asymmetry on the value of power losses in four-wire networks of 0.4 kV were assessed. The results of calculations of the absolute and relative value of electricity losses in distribution networks with an asymmetric load are presented. Functional dependences of relative power losses on the asymmetry coefficient for overhead lines with a voltage of 10 kV, made with wires of various sections of the AS brand, are determined. Dependences of the effect of current load asymmetry on the value of relative power losses in four-wire overhead and cable lines with a voltage of 0.4 kV are determined. CONCLUSION. The reasons for the occurrence of asymmetric modes in distribution networks of 0.4-20 kV are substantiated. The main measures aimed at reducing power and electricity losses in four-wire electrical networks up to 1000 V from unbalance of current loads are proposed. It has been established that in order to reduce power and electricity losses in electrical networks, it is necessary to use additional technical measures aimed at equalizing loads by phases and balancing the steady state.
Keywords: energy losses; unbalanced load; distribution networks; transformer item; rated voltage; symmetrical components.
For citation: Gerkusov AA., Gracheva EI., Shumikhina OA Influence of non-symmetric load on loss electricity in distibution networks 0,4-20 Kv. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022; 14; 2(54):15-28.
Введение
Как известно, электрические сети, к которым непосредственно присоединяются электроприёмники и трансформаторные пункты являются распределительными сетями. Как правило — это сети с номинальным напряжением до 20 кВ, однако, часто к ним относят и сети более высоких классов номинальных напряжений.
Потери электроэнергии являются интегральной характеристикой потерь мощности, которые в любой момент времени полностью определяются модулями токов и активными сопротивлениями фазных проводов.
Например, в распределительных сетях напряжением 0,4-20 кВ при передаче электроэнергии потребителям в объёме 200538 млн. кВт. ч, технические потери, согласно [1], составляют 33,5 % от суммарных технических потерь в воздушных линиях всех классов напряжения, что требует тщательного анализа причин возникновения потерь, разработки методик их расчёта, а также мероприятий по их снижению.
В эксплуатации, в настоящее время, находится значительное количество ВЛ-0,4-6-20 кВ с длительно подключённой несимметричной нагрузкой [2-5]. Это обусловлено неравномерным распределением однофазных электроприёмников по фазам и распространением в трехфазных сетях систем электроснабжения потребителей электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых невозможно или нецелесообразно по экономическим соображениям. К таким установкам можно отнести индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, тяговые нагрузки железных дорог, троллейбусов и трамваев, преобразователи фаз, симметрирующие элементы, маломощные однофазные комплектные трансформаторные подстанции (КТПО), от которых питаются потребители коммунально-бытовой сферы, установки освещения, обогрева и прочие маломощные потребители при cos(^)=1. Кратковременные несимметричные режимы возникают при аварийных ситуациях различного рода и протекают в относительно короткие промежутки времени [6-10].
В настоящее время несимметричные режимы в электрических сетях являются объективно существующим и постоянно действующим фактором, существенно снижающим эффективность работы, как самих систем электроснабжения, так и потребителей, подключенных к ним [11-12]. Несимметрия напряжений и токов трехфазной системы является одним из важнейших показателей качества электрической энергии, характеризующих режим электропотребления [13-15]. Работа систем электроснабжения потребителей в условиях несимметрии токов и напряжений вызывает экономический ущерб, составной частью которого является увеличение потерь активной мощности и потребление активной и реактивной мощностей, рост тарифов за потребляемую электроэнергию [16-18]. Как известно, в современных условиях, с развитием технологий и вводом в эксплуатацию новых видов оборудования, наблюдается рост несимметричных
нагрузок потребителей электроэнергии [19-21]. Внедрение в производственные процессы микропроцессорных элементов также оказывает влияние на режимы работы электрических сетей [22- 24].
Таким образом, увеличение чувствительности отдельных видов электрооборудования к соблюдению показателей качества электроэнергии, с одной стороны, и появление новых причин возникновения несимметричных режимов электрических сетей, с другой [25 28], делает актуальной задачу исследование влияния несимметричной нагрузки на потери электроэнергии в распределительных сетях и предложение возможных мероприятий по его снижению, представленное в настоящей работе.
Исследуем, как влияет несимметрия нагрузок на уровень относительных потерь электроэнергии в распределительной сети, и определим возможные мероприятия по снижению потерь от несимметрии.
Очевидно, что увеличение числа, как несимметричных нагрузок, так и несимметричных режимов, приводит к заметным нарушениям симметрии токов и напряжений в трехфазных электрических сетях, особенно в распределительных, что является, в свою очередь, причиной увеличения в узлах нагрузки отклонений напряжения от допустимого значения, сокращения срока службы электродвигателей, снижения производительности механизмов и других негативных явлений в сетях и электрооборудовании.
Материалы и методы
Методы расчёта потерь мощности и электроэнергии при несимметричной нагрузке распределительных сетей
Наибольшее распространение получили методы определения дополнительных потерь от несимметричных нагрузок с использованием коэффициентов симметричных составляющих (теоремы Фортескью) и метод расчёта потерь в зависимости от величины потерь напряжения в линиях, предложенный Железко Ю.С. [3, 4].
При несимметричной нагрузке в симметричной электрической сети потери мощности ДО^ и электроэнергии 4Wнес в трехфазной ветви могут быть получены с помощью фазных и симметричных составляющих [6]. Метод симметричных составляющих основан на принципе суперпозиции, поэтому он применим только к линейным системам или к линейным приближениям нелинейных систем. Основная идея метода состоит в том, что ассиметричный набор из N векторов может быть выражен как линейная комбинация из N симметричных наборов векторов посредством сложного линейного преобразования.
Способы расчёта потерь мощности и электроэнергии, основанные на применении метода симметричных составляющих, предполагают разложение фазных токов на симметричные составляющие токов прямой 11, обратной 12 и нулевой 10 последовательностей:
/ = 11 /„ + а/и + а21с
/ = 1 [/а + аа 1Ь + а 1с |, (1)
10 = 1 [ / + Ь + I с
2п
где а = е 3 - фазный множитель (поворотный оператор); 1ц 1Ь, 1С - фазные токи.
При расчёте дополнительных потерь мощности, обусловленных несимметрией токов, электрическая сеть рассматривается как совокупность отдельных элементов, каждый из которых характеризуется отдельными значениями токов прямой обратной и нулевой последовательностей. К таким элементам сети относятся магистральные участки ВЛ 0,4 кВ между двумя отпайками и трансформаторы потребительских подстанций, от которых получает питание несколько линий.
На основании рассматриваемого метода симметричных составляющих потери мощности и электроэнергии при несимметричной системе токов определяются суммой потерь, обусловленных токами прямой, обратной и нулевой последовательностей:
АРнес = Ар +Щ +АРо = 3/12г1 + 3/2 г2 + 3/, (2)
AWHec =(AP1 +Щ +AP0 ) • т = ( 3/jVj + 3/22 r2 + 3/02г0 ) • т :
где т - время максимумальных потерь, определяемое эмпирическим выражением
т = 1 0,124 +
T
-L „Я
• 8760,
(4)
10000,
Тнб - число часов использования максимумальной нагрузки; гь г2, г0 - активные сопротивления соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей участка сети.
Согласно [2,3], для симметричных 3-х фазных цепей, не содержащих вращающихся машин:
- активные сопротивления прямой и обратной последовательностей одинаковы (г =
Г2);
- активное сопротивление нулевой последовательности определяется
(5)
где Гф - сопротивление фазного провода, гм - сопротивление нулевого провода. При отсутствии нулевого провода, токи нулевой последовательности протекать не могут: I = 0;
r0 = Гф + 3rN ,
Однако, в случае исследования несимметричной сети, использование модели симметричных составляющих дает погрешность, так как не позволяет разделить исходную схему замещения сети на три независимые схемы для каждой последовательности. Кроме того, определение токов трех последовательностей требует специальных расчетов и схем измерений, в то время как фазные токи могут быть вычислены по известным мощностям фаз или измерены. Поэтому в общем случае для расчета потерь мощности и энергии наиболее точной моделью учета несимметрии является модель в фазных координатах [3].
Потери электроэнергии в трёхпроводных распределительных электрических сетях 6 - 20 кВ.
Пусть задан участок трёхфазной ВЛ, напряжением ин, длиной 1 км, выполненной проводом марки АС, с удельным сопротивлением г0, Ом/км и подключённой однофазной нагрузкой, определяемой 3 х КТПО мощностью РаЬ, РЬс, Рас (рис. 1).
Рис.1. Участок ВЛ - 10 кВ с подключенной Fig.1. Plot VL - 10 kV with a connected несимметричной нагрузкой. unbalanced load.
2
r0 =œ-
Таким образом, данная ВЛ нагружена по фазам несимметрично. Линейные токи по фазам Ia, Ib, Ic определяются:
Ia = Iab - Iac ; (6а) Ib = Ibc - Iab ; (6б) Ic = Iac - Ibc , (6в)
где модули фазных токов определяются как:
Iab = Pab / U ; (7а) Iac = Pac / UH ; (7б) IЪс = РЪс / U. (7в) Векторная диаграмма данной несимметричной 3-х фазной цепи имеет следующий вид - рисунок 2:
Рис.2. Векторная диаграмма несимметрично Fig.2. Vector diagram of an asymmetrically loaded нагруженной ВЛ overhead line.
Тогда модули линейных токов Ia, Ib, Ic могут быть определены по теореме косинусов:
KI =4^ + !2ас -2■ 1аЪ ■ Ic ■ cosia) ; (8а)
\h\ Ч!2аЪ + II - 2 ■ 1аЪ ■ Ic ■ cosip) ; (8б)
KI = 4Ibc + I2c - 2 ■ Ic ■ Ic ■ cos(y) , (8в)
где а, в, у - углы между векторами фазных токов
Суммарная потребляемая подключёнными однофазными нагрузками активная мощность P^ и электроэнергия W при времени использования максимума нагрузки Тнб определяется
Pz= Pb + P + Pc; (9)
W = P^Th6- (10)
Суммарные абсолютные годовые потери электроэнергии в линии ^W^ определяются по выражению
^WHec ={I2a-Гф + Ib■ Гф +1] -Гф )■ L- г, (11)
тогда, относительные потери электроэнергии в данной (несимметрично нагруженной) ВЛ ^нес^год равны
AiКс (I2q ■ Гф + ^ •Гф + ^ Гф У L г W 1000 ■ Pz Тнб '
В случае, если же принять, что данная ВЛ нагружена по фазам симметрично (например, в конце линии установлена 3-х фазная симметрично нагруженная КТП), тогда
Линейные нагрузочные токи IH
P
IH =~т—, (13)
н 43-U
Суммарные абсолютные потери активной электроэнергии в этом случае
/ 2 Г
1 н 'о
AW = 3-¡1 г ■ Lг, (14)
(AW )
Относительные потери электроэнергии I | определяются
' о
(АК) = 1н ТФ-ь-т I К 1 о 1000-ин-тиб '
Допущения.
1) Условно считаем нагрузку, присоединённую в конце линии чисто активной.
2) В целях упрощения расчётов активными потерями электроэнергии в силовых трансформаторах пренебрегаем.
В качестве обобщённого показателя несимметрии нагрузки воздушной линии
предлагается использовать следующий коэффициент
I2 +I2 +I2
Кнес = / / Д 2 " 1' (16)
(Ia + Ib + Ic )
который назовём коэффициентом несимметрии Кнес. Если I = I = I, то, в этом случае, KНес = 0' с ростом несимметрии нагрузки будет возрастать и коэффициент несимметрии (KHec t).
Проведем исследование влияния несимметричной нагрузки на величину относительных потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях 10 кВ.
Пусть задан участок ВЛ длиной L=1,0 км, выполненной проводом марки АС-35, с Гф = 0,777 Ом/км, номинальным напряжением ин = 10 кВ, с подключенной группой КТПО различной мощности: Pab=35 кВт; Pbc=25 кВт; Pac=45 кВт (рис. 1) и числе часов использования максимума нагрузки Тнб = 4000 ч., характерном для ж/д потребителей. Рассчитаем в фазных координатах потери электроэнергии в заданной ВЛ, условно полагая, что напряжение, подводимое к первичным обмоткам однофазных трансформаторов постоянно и равно номинальному и сравним их с потерями для симметрично нагруженной по фазам ВЛ мощностью Рнб = 105 кВт и такими же параметрами сечения, длины и числа часов использования.
Величины фазных токов Iab; Ibc; Iac вычисляются:
Ib = Pb /Uh = 35/10 = 3,5(А);
Iac = Pac /UH = 45/10 = 4,5(А) ;
he = Pbc /UH = 25/10 = 2,5(А), а углы сдвига между ними условно принимаем равными 120 электрических градусов.
Модули линейных токов по фазам Ia Ib, Ic определяются из векторной диаграммы рисунка 2 и выражений (8а), (8б), (8в)
|/ | = ^3,52 + 4,52 -2• 3,5 • 4,5 • cos(120°) = 6,946(А) II = ^3,52 + 2,52 - 2 • 3,5 • 2,5 • cos (120°) = 5,22 (А)
|/| = ^2,52 + 4,52 - 2 • 2,5 • 4,5 • cos (120°) = 6,144 (А)
Суммарная потребляемая, подключёнными КТПО, активная мощность P^ и электроэнергия Wroi при времени Ги6 = 4000 ч (характерном для железнодорожных нетяговых потребителей) вычисляется как
PS= Pb + Pbc + Pac = 35 + 25 + 45 = 105 (кВт);
W^ = P • Тнб = 105 • 4000 = 420000(кВт • ч)
Время максимумальных потерь т
т = ( 0,124 + 1 • 8760 = 2406 (ч)
^ 10000) v '
Суммарные годовые потери электроэнергии в линии А Шгод определяются по выражению (7) и составляют
W =(12 • Гф +1b • гф + II • Гф)• Lт = 211,6(кВт• ч)
Тогда, относительные потери электроэнергии в данной (несимметрично нагруженной) ВЛ kWHecjW равны
= _2М. = 0,000504 W 420000
Если принять, что данная ВЛ нагружена по фазам симметрично, например, установлена 3 -х фазная КТП с мощностью нагрузки 105 кВт, то имеем - линейные токи
Ih = 105 = 6,062 (А) ■
н -ч/э •U 1,732•Ю v ;
* н '
Суммарные потери активной электроэнергии в этом случае - абсолютные потери Л W
20
АК = 3-/2н гф- Ь-т = 3 - 6,0622-0,777-1,0-2406 = 206,1( кВт-ч), относительные потери( АК |
I К X
(—1 = = 0,00049
^ К )0 420000
Из приведенного расчета следует, что абсолютные и относительные потери электроэнергии в трёхфазных симметрично нагруженных сетях ниже, чем в сетях с несимметричной нагрузкой.
Проведенные, на основании исходных данных расчёты (табл. 1) и построенные на рисунке 3 кривые, показывают, что абсолютные и относительные потери электроэнергии в линии зависят от коэффициента несимметрии нагрузки и сечения провода ВЛ. При этом с увеличением несимметрии они резко возрастают по сравнению с потерями в сети с симметричной нагрузкой.
Таблица 1
Влияние несимметричной нагрузки на величину относительных потерь электроэнергии в
распределительных электрических сетях 10 кВ
Токи нагрузки Относительное
по фазам, А Коэф-ент несиметр нагрузки Кнес Относительн возрастание
Марка и сечение провода Ia Ib Ic ые потери электроэнерг ии AW„ec W потерь электроэнергии по сравнению с потерями в симметричном режиме Б
8,66 8,66 8,66 0,0 0,00070084 1,0
9,27310,0 8,688 8,062 0,00325 0,00070542 1,006533
7 8,807 7,318 0,01667 0,00072486 1,034133
АС-35 11,08 9,071 6,465 0,04538 0,00076896 1,0972
12,01 9,418 5,761 0,07997 0,00082877 1,182533
12,66 9,714 5,325 0,10659 0,00088175 1,258133
13,23 10,0 5,0 0,12943 0,00093445 1,33333
8,66 8,66 8,66 0,0 0,00053668 1,0
9,273 8,688 8,062 0,00325 0,00054019 1,006533
АС-50 10.07 11.08 8,807 9,071 7,318 6,465 0,01667 0,04538 0,000555 0,00058884 1,034133 1,0972
12,66 9,714 5,325 0,10659 0,00067521 1,258133
13,23 10,0 5,0 0,12943 0,0007156 1,33333
Рис.3. Зависимость относительных потерь электроэнергии от коэффициента несимметрии для ВЛ-10 кВ, выполненной проводами различных сечений марки АС при времени использования максимума нагрузки Тнб=4000 ч.
Fig.3. Dependence of relative power losses on the asymmetry coefficient for 10 kV overhead lines, made with wires of various sections of the AS brand at the time of using the maximum load Tnb = 4000 h.
Здесь в качестве коэффициента относительного возрастания потерь электроэнергии по сравнению с потерями в симметричном режиме 8 принято отношение
АЖнес
S = -
AW
(17)
Основным мероприятием для снижения потерь электроэнергии от поперечной несимметрии токовых нагрузок является выравнивание величин мощности нагрузок по фазам с их последующим мониторингом и симметрирование режима, состоящее в компенсации токов обратной последовательности. Это достигается путём распределения суммарной мощности конденсаторных батарей между фазами сети таким образом, чтобы создаваемый ими ток обратной последовательности был, по возможности, ближе по значению к току обратной последовательности нагрузки и направлен противоположно. Для этого необходимо присоединить конденсаторную установку к двум междуфазным напряжениям. Для симметрирования однофазной нагрузки может быть применена схема, предусматривающая присоединение реактора и конденсатора к оставшимся «свободным» фазам, известная как схема Штейнметца. При чисто активной нагрузке и выборе мощности реактора QL и батареи конденсаторов QC в соответствии с выражением ^ = Qc = р / ,
схема обеспечивает полное симметрирование нагрузки. Если нагрузка имеет реактивную составляющую, то параллельно ей также включают конденсаторную батарею. Помимо снижения потерь, симметрирование нагрузки фаз также ведёт и к улучшению режима напряжений на вводных устройствах потребителей.
Потери электроэнергии в 4-хпроводных электрических сетях напряжением до 1 кВ.
Трёхфазные сети напряжением до 1 кВ предназначены для непосредственного соединения источника питания (ТП, РП, КТП) с потребителями небольшой мощности. Они выполняются, в большинстве случаев, в виде четырёхпроводных воздушных и кабельных линий электропередачи, тремя фазными и одним нейтральным проводом (рис. 4), служащим для подключения однофазных приёмников и уравнивания токов несимметрии, возникающих при неодинаковой загрузке фаз. При этом нейтраль (нулевой провод), как правило, наглухо заземляется.
Рис.4. Участок ВЛ-0,4 кВ с подключённой Fig.4. Plot VL-0.4 kV with a connected unbalanced несимметричной нагрузкой load
Здесь Ра Ф Рь Ф р; следовательно, данная ВЛ, как и в вышерассмотренном случае, нагружена по фазам несимметрично. Тогда модули линейных токов 1а; 1Ь; I определяются как
Г. =
V3 • Pa
U,,
(18а);
I =
Уз • Pb
Uн (18в)
(18б);
I =
S • P
и,,
Векторная диаграмма данной несимметричной четырёхпроводной цепи имеет следующий вид (рис. 5).
Рис.5. Векторная диаграмма несимметрично Fig.5. Vector diagram of an asymmetrically нагруженной четырёхпроводной ВЛ. loaded four-wire overhead line.
Как следует из векторной диаграммы линии, ток в нулевом проводе I0 определяется векторной суммой линейных токов в фазах
In = Ia + Ib + I c (19)
Модуль тока I0 можно определить из следующего соотношения (теоремы Шаля)
1^1 = J jmIa + jmIb + jmIc ] +| Re Ia + Re Ib + Re I
AW(4)
(20)
тогда относительные потери электроэнергии-нес-
W
в заданной 4-хпроводной ВЛ
можно определить как
AW i,4?
(I2 + Ib + IC )■ Гф■ L г +11-rN■ L-г
(21)
К (Ра + Рь + Рс )-Тнб
На основании формул (16), (20), (21), при постоянном электропотреблении, для ВЛ-0,4 кВ единичной длины, при варьируемых токах в фазах /а,/ъ,/,, различных сечениях фазных и нулевых проводов ВЛ и жил КЛ, проведены расчёты (табл. 2) и построены зависимости АКес / К = /(Кнес) (рис. 6), достаточно точной аппроксимацией которых служат эмпирические формулы вида
ак (ак к.
W
W
(22)
где в - угловой коэффициент, возрастающий при уменьшении сечений фазных и
нулевого проводов, увеличении длины линии, а также увеличения отношения Т / Т
нб •
Таблица 2
Влияние несимметрии нагрузок на величину потерь электроэнергии в 4-хпроводных сетях 0,4
кВ
C
Марка и сечение фазных/нулевых проводов ВЛ и жил КЛ напряжением 0,4 кВ Токи нагрузки по фазам, А Ток в нулевом проводе In, A Коэф-ент несиметрии нагрузки Кнес Относительные потери электроэнергии AWнеc(4)/W
Ia Ib Ic
160,21 160,21 160,21 0,0 0,0 0,3241
186,2 134,23 160,21 45,0 0,0175 0,3438
207,85 112,58 160,21 82,5 0,0589 0,39
АС-35/25 229,5 90,93 160,21 120,0 0,125 0,464
251,15 69,28 160,21 157,5 0,2148 0,564
285,79 34,64 160,21 217,5 0,41 0,782
320,43 0,0 160,21 277,5 0,6667 1,07
Продолжение таблицы 2
160,21 160,21 160,21 0,0 0,0 0,2482
186,2 134,23 160,21 45,0 0,0175 0,2611
207,85 112,58 160,21 82,5 0,0589 0,2915
АС-50/35 229,5 90,93 160,21 120,0 0,125 0,3398
251,15 69,28 160,21 157,5 0,2148 0,4059
285,79 34,64 160,21 217,5 0,41 0,549
320,43 0,0 160,21 277,5 0,6667 0,738
160,21 160,21 160,21 0,0 0,0 0,1848
186,2 134,23 160,21 45,0 0,0175 0,1929
207,85 112,58 160,21 82,5 0,0589 0,212
АВВГ-3х70/70 229,5 90,93 160,21 120,0 0,125 0,2424
251,15 69,28 160,21 157,5 0,2148 0,284
285,79 34,64 160,21 217,5 0,41 0,374
320,43 0,0 160,21 277,5 0,6667 0,4928
АС 25
АС&О/ 3.5
АЙВГ-i х70
К не
Рис.6. Влияние несимметрии токовой нагрузки на Fig.6. Influence of current load asymmetry on the
значение относительных потерь электроэнергии в value of relative power losses in 4-wire overhead
4-хпроводных воздушных и кабельных линиях and cable lines with a voltage of 0.4 kV. напряжением 0,4 кВ
Для сравнения результатов расчётов определим потери электроэнергии в ВЛ-0,4 кВ, выполненной фазными проводами марки АС-35, и нулевым проводом марки АС-25 методом симметричных составляющих по формулам (1), (3), (5) для случая, когда /а = 251,15 (Л); /ь = 69,28 (Л); /с = 160,21 (Л) , а двигательная нагрузка отсутствует .
По формуле (1) определяем симметричные составляющие токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.
/, =1 (251,15 + б9,28е-2'094395^'09439^ + 160,21е2'094395^4Д8879^) = 160,2133е^ (Л);
/2 =1 (251,15 + 69,28е-2,094395;е4,18879-' + 160,21е2^09439^е2^09439^ ) = 52,501е-™ (Л)
/0 =1 (251,15 + 69,28е-2'094395-/ +160,21е2^09439^ ) = 52,50135е0'5235/ (Л)
По формуле (5) определяем сопротивление нулевой последовательности
г0 = 0,79 + 3-1,46 = 4,228 (Ом )
Тогда относительные потери электроэнергии в заданной ВЛ, согласно выражению (3)
Д Ж(4) (160,21332 - 0,79 + 52,501352 - 0,79 + 52,501352 - 4,228) - 3 - 2406
-не^ = ±-'--= 0 55451.
Ж 111000 - 4000
Относительная погрешность вычислений по сравнению с результатами расчётов потерь в фазных координатах 5
5= °,564 - °,55451 -100 «1,7 (%) 0,55451 v '
Таким образом, результаты расчётов потерь электроэнергии при несимметрии токов в фазах ВЛ-0,4 кВ, согласно методу симметричных составляющих, и вычисленные в фазных
координатах, близки по значению. Погрешность вычислений составляет менее 2% и близка к статистической.
Тем не менее, по мнению ряда специалистов, применение метода симметричных составляющих при расчётах дополнительных потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях, является не вполне корректным, т.к. в формулах (2) и (3) возводятся в квадрат токи прямой, обратной и нулевой последовательностей. При этом, как известно, в 3-хпроводных сетях составляющая нулевой последовательности отсутствует и расчёт потерь по формулам (2) и (3) окажется ошибочным.
Результаты и обсуждение.
Проведенные исследования и расчёты показали, что несимметрия нагрузки в трёхфазных 4-х- проводных сетях приводит к значительному росту потерь электроэнергии, значительно превосходящими установленный норматив. Кроме того, при токовой несимметрии существует перегрузка по току проводов линии, значительно превосходящая длительно допустимую, что, в свою очередь, ведёт не только к ухудшению режима напряжений на вводных устройствах потребителей, но и к значительному снижению надёжности электроустановок вследствие возможного перегрева проводов температурой выше 70°С.
Основными мероприятиями, направленными на снижение потерь мощности и электроэнергии в 4-хпроводных электрических сетях до 1000 В от несимметрии токовых нагрузок, являются мероприятия направленные на:
1) выравнивание величин токовых нагрузок по фазам и их мониторинг,
2) правильный выбор сечений фазных и нулевых проводников при проектировании низковольтных воздушных и кабельных линий электропередачи,
3) применение повторного заземления нулевого проводника при появлении напряжения смещения нейтрали, превышающем допустимые значения,
4) применение токовых защит и УЗО, срабатывающих при увеличении тока в нулевом проводе.
Для дальнейших исследований и совершенствования предложенной методики расчёта потерь в несимметричных ВЛ и КЛ рекомендуется:
- рассмотреть в целом систему электроснабжения, состоящую из трёхпроводной ЛЭП 6-20 кВ, силового понижающего трансформатора 6-20/0,4 кВ и низковольтной четырёхпроводной электрической сети с отпайками от магистральной ВЛ,
- с учётом дополнительных потерь мощности и электроэнергии, возникающих от токовой несимметрии нагрузок в низковольтной электрической сети, оценить уровень потерь, как в целом по СЭС, так и в каждом элементе рассматриваемой системы электроснабжения,
- разработать основные мероприятия, направленные на снижение потерь, как в целом по рассматриваемой СЭС, так и в каждом её элементе.
Научной и практической значимостью представленной работы является уточнение оценки влияния несимметричной нагрузки на величину потерь электроэнергии в распределительных сетях 0,4 - 20 кВ, что позволяет достоверно определять параметры режимов электрооборудования и эффективно внедрять мероприятия по энергосбережению.
Отличие представленной работы от результатов исследований российских и зарубежных ученых в данной области заключается в проведении оценки влияния несимметричных нагрузок и параметров электрической сети на уровень относительных потерь электроэнергии в ЛЭП и предложение мероприятий по его снижению.
Заключение:
1) Несимметрия токовых нагрузок по фазам приводит к дополнительным потерям мощности и электроэнергии в воздушных и кабельных линиях электропередачи, снижению надёжности электроснабжения потребителей и показателей качества электроэнергии, вызывает дополнительный экономический ущерб, рост себестоимости выпускаемой продукции.
2) Для определения потерь мощности и электроэнергии наиболее точной моделью учета несимметрии является модель расчета в фазных координатах.
3) Относительные потери электроэнергии от несимметрии токовой нагрузки в трёхфазных 4-хвпроводных ВЛ и КЛ линейно зависят от коэффициента несимметрии.
4) Расчёт потерь электроэнергии в несимметрично нагруженной по току линии возможно проводить как в фазных координатах, так и с применением метода симметричных составляющих
5) Для снижения потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях необходимо применение дополнительных технических мероприятий, направленных на выравнивание нагрузок по фазам и симметрирование установившегося режима.
Литература
1. Воротницкий В.Е. Потери электроэнергии в электрических сетях. Ситуация в России. Зарубежный опыт анализа и снижения. М. ОАО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики»(ОАО «ВНИИЭ»): Диалог электро,2006.72 с.
2. Коваленко П.В., Смышляева О. А. Анализ потерь мощности в электрических сетях при неравномерной и несимметричной нагрузке // Электрика. 2009. №9. С. 18-22.
3. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчёт, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях М.:Издательство НЦ ЭНАС. 2005 г. 277 с.
4. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: руководство для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2009. 456 с.
5. Воротницкий В.Э., Загорский Я.Т., Апряткин В.Н., Западнов А.А. Расчеты, нормирование и снижение потерь электрической энергии в городских электрических сетях -ж-л «Электрические станции». 2000. № 5, С 9-13.
6. Косоухов Ф.Д., Наумов И.В. Несимметрия напряжений и токов в сельских электрических сетях Иркутск ИГСА 2003.258 с.
7. Папков Б.В., Осокин В.Л., Дулепов Д.Е. Оценка вероятностей несимметричных режимов систем электроснабжения. Вестник НГИЭИ. 2021. №4. С.31-41.
8. Камолов М.М. Оценка несимметричных режимов в электрических сетях коммунально-бытового назначения. Политехнический Вестник. Серия: Инженерные исследования. №3. 2020. С. 29-37.
9. Камолов М.М., Абдулкерим С.А., Назиров Х.Б., и др. Учёт несинусоидального/несимметричного режима работы электрической сети коммунально -бытового назначения при расчете уровня тока нудевого проводника. Журнал «Электричество». №1. 2021. С.35-43.
10. Сошинов А. Г., Айсина Т. Х., Бардакова К. А. Нарушения нормативных показателей качества электрической энергии в электрических сетях и мероприятия по их снижению // КИП и автоматика: обслуживание и ремонт. 2020. № 10. С. 22-28.
11. Степанов В.М., Базыль И.М., Ключникова А.Ю. Повышение эффективности работы электрических сетей за счет снижения несимметрии напряжения. Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. №. 12. С.8-11
12. Каяков Р.А., Тен Е.Е. Цифровая трансформация как способ повышения качества услуг по передачи электроэнергии // Инновации. Наука. Образование. 2020. №12 -С. 372377.
13. Антонов А.И. Повышение качества функционирования электрических сетей на основе компьютерного моделирования несимметричных режимов. ФГБОУ ВО «СГУВТ» 2020. 22 с.
14. Воронов П.Л. Разработка и реализация методик и алгоритмов расчета по частям симметричных и несимметричных режимов систем электроснабжения. ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова». 2019. 24 с.
15. Васильев Н.В., Карташев Д.А., Криштопа Н.Ю. Анализ режимов работы электрических сетей с использованием их цифровых моделей. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2021. №4. С. 103-111.
16. Смагин К.А., Галстян Р.А., Антонов М.А., и др. Анализ влияния несимметрии на потери в сети 0,4 кВ. Молодой исследователь Дона. 2019. №4. 8 с.
17. Аллаев К.Р., Мусинова Г.Ф. Анализ потерь мощности в фазах распределительных сетей при небалансе нагрузки. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). №6. 2020. С.65-70.
18. Z.-Z. Tan, T. Zhen. Electrical properties of an arbitrary rectangular network. Acta Phys Sin,69(2)(2020), Article 020502
19.Allaev K.R., Mirzabaev A.M., Shaismatov S.E et al. Providing of power quality./ T .: Publishing house «Fan va texnologiya», 2019.160 p.
20. Allaev K.R., Mirzabaev A.M., Shaismatov S.E., et al. Providing of power quality./ T .: Publishing house «Fan va texnologiya», 2019.160 p.
21. T. Liu; H. Yu; H. Yin; et al. Research and Application of Digital Twin Technology in Power Grid Development Business. 2021, 6th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE), pp. 383-387. doi: 10.1109/ACPEE51499.2021.9436946.
22. Грачева Е.И., Алимова А.Н., Абдуллазянов Р.Э. Анализы и способы расчета потерь акивной мощности и электроэнергии в низковольтных цеховых сетях. Вестник КГЭУ 2018. №4 (40). С.53-65.
23. Грачева Е.И., Шакурова З.М., Абдуллазянов Р.Э. Сравнительный анализ наиболее распространенных детерминированных методов определения потерь электроэнергии в цеховых сетях//Проблемы энергетики. 2019. № 5. С. 87-96.
24. Грачева Е.И., Горлов А.Н., Шакурова З.М. Анализ и оценка экономии электроэнергии в системах внутризаводского электроснабжения // Проблемы энергетики. 2020. № 2. С.65-74.
25. Грачева Е.И., Наумов О.В. Потери электроэнергии и эффективность функционирования оборудования цеховых сетей. Монография. М.: РУСАЙНС, 2017. 168 с.
26.Рахимов О.С., Мирзоев Д.Н., Грачева Е.И. Экспериментальное исследование показатель качества и потерь электроэнергии в низковольтных сельских электрических сетях//Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т.23. №3. С.209-222.
27. Грачева Е.И., Наумов О.В., Горлов А.Н., Шакурова З.М. Алгоритмы и вероятностные модели параметров функционирования внутризаводского электроснабжения // Проблемы энергетики. 2021. № 1. С.93-104.
28 .Бирюлин В.И., Куделина Д.В., Ларин О.М., Грачева Е.И., Танцюра А.О. Выявление источника фликера в системах электроснабжения // Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23. №5. С. 3-12.
Авторы публикации
Геркусов Алексей Анатольевич - канд.техн.наук., доцент кафедры «Электрические системы и сети», Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет ИМ. А.Н. Туполева - КАИ
Грачева Елена Ивановна - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Казанский государственный энергетический университет.
Шумихина Ольга Александровна, студент, Казанского государственного энергетического университета.
References
1. Vorotnitsky V.E. Electricity losses in electrical networks. Situation in Russia. Foreign experience of analysis and reduction. M. JSC Scientific Research Institute of Electricity (JSC «VNIIE»): Dialog Electro, 2006. 72 p.
2. Kovalenko PV, Smyshlyaeva O.A. Analysis of power losses in electrical networks with non-uniform and asymmetric load. Electronics. 2009;9:18-22.
3. Zhelezko YuS, Artemiev AV, Savchenko OV. Calculation, analysis and rationing of electricity losses in electrical networks. M. Publishing house of NTs ENAS, 2005. 277 p.
4. Zhelezko YuS. Loss of electricity. reactive power. Power quality: a guide for practical calculations. M.: ENAS, 2009. 456 p.
5. Vorotnitsky VE, Zagorsky YaT, Apryatkin VN, et al. Calculations, regulation and reduction of electrical energy losses in urban electrical networks.. 2000;5:9-13. J-L Electric Stations
6. Kosoukhov FD, Naumov IV. Asymmetry of voltages and currents in rural electrical networks Irkutsk IGSA 2003.258 p.
7. Papkov BV, Osokin VL, Dulepov DE. Evaluation of the probabilities of asymmetric modes of power supply systems. Bulletin of NGIEI. 2021;4:31-41.
8.Kamolov MM. Evaluation of asymmetric modes in electrical networks for domestic purposes. Polytechnic Bulletin. Series: Engineering research. 2020;3:29-37.
9. Kamolov MM, Abdulkerimv SA, Nazirov Kh.B, et al. Accounting for the non-sinusoidal asymmetrical mode of operation of the electrical network for domestic purposes when calculating the current level of the neutral conductor. Electricity. 2021;1: 35-43.
10. Soshinov AG, Aisina TKh, Bardakova KA. Violations of regulatory indicators of the quality of electrical energy in electrical networks and measures to reduce them. Instrumentation and automation: maintenance and repair. 2020;10:22-28.
11. Stepanov VM, Bazyl IM, Klyuchnikova AYu. Improving the efficiency of electrical networks by reducing voltage unbalance. News of TulGU. Technical science. 2021;12:8-11
12. Kayakov RA, Ten EE, Digital transformation as a way to improve the quality of electricity transmission services. Innovations. The science. Education. 2020;12:372-377.
13.Antonov .I. Improving the quality of functioning of electrical networks based on computer simulation of asymmetric modes. Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences. SGUVT. 2020. 22 p.
14. Voronov PL. Development and implementation of methods and algorithms for calculating symmetrical and asymmetric modes of power supply systems in parts. Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences. ChSU them. I.N. Ulyanov. 2019. 24 p.
15.Vasiliev NV, Kartashev DA, Krishtopa NYu. Analysis of the operating modes of electrical networks using their digital models. Proceedings of the St. Petersburg State Agrarian University. 2021;4:103-111.
16. Smagin KA, Galstyan RA, Antonov MA. Analysis of the influence of asymmetry on losses in the 0.4 kV network. Don's young explorer. 2019;4:8.
17. Allaev KR, Musinova GF. Analysis of power losses in the phases of distribution networks in case of load imbalance. Eurasian Union of Scientists (ESU).2020;6:65-70.
18. Z.-Z.Tan, T. Zhen. Electrical properties of an arbitrary m*n rectangular network. Acta Phys Sin, 2020;69;(2) Article020502
19.Allaev KR, Mirzabaev AM, Shaismatov SE, et al. Providing of power quality. T: Publishing house «Fan va texnologiya», 2019.160 p.
20.Allaev KR, Mirzabaev AM, Shaismatov SE, et al. Providing of power quality. T.: Publishing house «Fan va texnologiya», 2019.160 p.
21.T. Liu, H. Yu, H. Yin, et al. Research and Application of Digital Twin Technology in Power Grid Development Business. 2021, 6th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE). pp. 383-387. doi: 10.1109/ACPEE51499.2021.9436946.
22. Gracheva E.I., Alimova A.N., Abdullazyanov R.E. Analiz i sposoby rasheta poter' aktivnoy moshchnosti I elektroenergii v nizkovol'tnykh tsekhovykh setyakh. Vesnik KGEU. 2018;4(40):53-65.
23. Gracheva EI, Shakurova ZM, Abdullazyanov RE. Comparative analysis of the most common deterministic methods for determining electricity losses in shop networks. Problems of power engineering. 2019;5:87-96
24. Gracheva EI, Gorlov AN, Shakurova ZM. Analysis and evaluation of energy savings in intra-plant power supply systems. Energy problems. 2020;2:65-74.
25. Gracheva EI, Naumov OV. Loss of electricity and the effectiveness of the operation of equipment workshop networks. Monograph. M.: RUSAINS, 2017. 168 p.
26. Rakhimov OS, Mirzoev DN, Gracheva EI. Experimental study of indicators of quality and losses of electricity in low-voltage rural electrical networks Priceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2021-23-3-209-222
27. Gracheva EI, Naumov OV, Gorlov AN, et al. Algorithms and probabilistic models of the parameters of the functioning of the intra-factory power supply. Energy problems. 2021;1:93-104.
28. Biryulin VI, Kudelina DV, Larin OM, Gracheva EI, Tantsyura AO. Identification of the source of flicker in power supply system. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2021;23(5);3-12.
Authors of the publication
Alexey A. Gerkusov - Kazan National Research Technical University IM. A. N. Tupolev - KAI. Elena I. Gracheva - Kazan State Power Engineering University. Olga A.Shumikhina - Kazan State Power Engineering University.
Получено 15.03.2022г.
Отредактировано 21.03.2022г.
Принято 28.03.2022г.
