Влияние отклонения напряжения на потери мощности в электрооборудовании электрических сетей и потребителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.1 Д. р. САФОНОВ

А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ С. Ю. ДОЛИНГЕР С. В. БИРЮКОВ

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И ПОТРЕБИТЕЛЕЙ___________________________________________

Данная статья посвящена вопросам влияния отклонения напряжения на работу электрооборудования. В статье рассматривается зависимость потерь мощности от уровня напряжения в силовых трансформаторах и линиях электропередач, электрических двигателях и источниках света, приводятся результаты расчетов дополнительных потерь мощности при отклонении напряжения в зависимости от загрузки электрооборудования. Данные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России.

Ключевые слова: отклонение напряжения, потери мощности, реактивная мощность, коэффициент загрузки.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Обеспечение качества электроснабжения потребителей является важнейшей задачей, которая ставится перед электроснабжающей организацией, поскольку качество электроэнергии (КЭ) оказывает значительное влияние на условия работы как электрической сети предприятия, так и непосредственно технологического оборудования [1].

Увеличение потерь электроэнергии в электрических сетях и электрооборудовании (ЭО) вследствие отклонения напряжения является одной из форм электромагнитного ущерба.

Отклонение напряжения. Отклонение напряжения (ОН) определяется разностью между действующим и номинальным значениями напряжения [2]:

зи = и - ином, В,

Ш = и у 1}"ом 100, %,

где и, ином — действующее и номинальное значения напряжения, В.

В трехфазных электрических сетях действующее значение напряжения определяется как действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты.

ОН характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Допустимое значения установившегося отклонения напряжения на выводах электроприемников (ЭП) составляет ±10 % от номинального значения напряжения.

Влияние отклонения напряжения на работу электрической сети и электрооборудования.

1. Силовые трансформаторы (СТ) и линии электропередачи (ЛЭП). Нагрузочные потери мощности

и электроэнергии в элементах электрической сети пропорциональны квадрату тока и обратно пропорциональны квадрату напряжения, а потери холостого хода пропорциональны квадрату напряжения. Следовательно, получим выражение для определения суммарных потерь мощности при ОН [3, 4]:

АР = АРН

100

+ АРХ

100 + 5Ц 100

где ДРНном, АРХ ном — потери мощности нагрузочные и холостого хода, рассчитанные при номинальном напряжении, кВт; 8и — отклонение напряжения от номинального, %.

Увеличение (снижение) потерь мощности по сравнению с номинальным значением определяют по выражению [3]:

ЗР = “50 (^РХ.ном - Аря.ном ) ,

Х >ДРН (при КЗ<0,4)

Х.ном Н.ном V г З ' >

где 8Р — изменение потерь мощности, кВт,

При условии, что в сети ДР целесообразно снижать напряжение, так как при 8и<0 суммарные потери будут меньше (8Р<0) [5].

Результаты расчета дополнительных потерь активной мощности в трансформаторе ТМ-1000 при изменении питающего напряжения при различных значениях коэффициента загрузки представлены кривыми (рис. 1), иллюстрирующими дополнительные потери в СТ при отсутствии регулирования напряжения отпайками (¡7о = 0).

Для СТ\ у к°т°рых ДРНном>ДРХном (при КЗ > 0,5) суммарные потери в них при увеличении напряжения сети будут уменьшаться.

2

2

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Отклонение напряжения, о.е.

Рис. 1. Дополнительные потери мощности в трансформаторе ТМ-1000 кВА при ОН

-»-I = 50 А I = 40 А I = 30 А I = 20 А

Отклонение напряжения, о.е.

Рис. 2. Дополнительные потери мощности в ЛЭП АСБ-10-3х120 при ОН

Для СТ с коэффициентом загрузки в пределах 0,4<КЗ<0,5 потери нагрузочные и холостого хода практически одинаковы АРН м»АРХ , следовательно, отклонение напряжения не приводит к существенному изменению суммарных потерь в СТ.

Для ЛЭП АРХном»0, следовательно, для снижения потерь в ЛЭП необходимо повышать напряжение, так как нагрузочные потери при этом будут уменьшаться.

Величина дополнительных потерь мощности от ОН в ЛЭП марки АСБ-10-3х120 длиной 1 км (рис. 2) зависит также от величины тока, протекающего по фазам ЛЭП. Расчет произведен для различных величин тока по фазам ЛЭП.

2. Асинхронные двигатели (АД). При наличии ОН на зажимах АД изменяются следующие параметры: частота вращения ротора, активные потери и потребление реактивной мощности [5].

В двигателях, работающих с постоянным моментом сопротивления, при номинальной нагрузке потери активной мощности увеличиваются при снижении напряжения в сети, так как ток, потребляемый из сети, увеличивается. При повышении напряжения происходит уменьшение потерь активной мощности.

При малых загрузках двигателей (КЗ <0,5) эта зависимость приобретает обратный характер (рис. 3).

Следует отметить, что изменения активных потерь мощности в АД при ОН в пределах (±10 %) ином невелики (менее 3 % от АРном), но они составляют такую же величину, что и потери в сетях. При увеличении ОН (до ±15 % ином) потери активной мощности существенно возрастают [5, 6].

3. Синхронные двигатели (СД). Максимальный электромагнитный момент СД в широко распространенных схемах с вентильными и электромашинными возбудителями при неизменном токе возбуждения изменяется пропорционально напряжению; это вызывает соответствующее изменение запаса статической устойчивости двигателя. При наличии ОН в сети изменяется располагаемая реактивная мощность (РМ), определяемая тепловой нагрузкой СД: при повышении напряжения снижается вследствие увеличения насыщения магнитопровода машины и потерь в стали; при понижении до 80 % ином — увеличивается для СД с высокими значениями ОКЗ (>1,25) и небольшой нагрузкой на валу. Для СД с ОКЗ равным 1,25 снижение напряжения вызывает уменьшение располагаемой РМ [5].

Отклонение напряжения, о.е.

Рис. 3. Дополнительные потери мощности в АД мощностью 11 кВт при ОН

Отклонение напряжения, о.е.

Рис. 4. Удельные дополнительные потери мощности в ИС при ОН

Потери активной мощности в СД увеличиваются с возрастанием напряжения в сети и загрузки СД по РМ и могут быть оценены по выражению [5]:

АР = А1

О

Оном

+ А

О

Он

генерируемая и номинальная РМ; Б1,

2 постоянные коэффициенты, определяемые

где О, О>

А

техническими параметрами конкретного двигателя.

4. Источники света. Мощность, потребляемая источниками света, изменяется в зависимости от ОН в сети.

В диапазоне ОН в пределах ±10 % от ином для ламп накаливания (ЛН) справедливо соотношение [7]:

где и0, и — соответственно номинальное и фактическое напряжения на ЛН; Р0, Р — соответственно номинальная и фактическая мощность, потребляемая ЛН.

При ОН в пределах ±10 % от ином изменение мощности, потребляемой ртутными лампами низкого давления типа ЛЛ и высокого давления типа ДРЛ, натриевыми лампами высокого давления типа ДНаТ, ксеноновыми типа ДКсТ, рассчитывается из соотношений [7]:

АР Л _(би Л

Р 0 Н и -0 - для ЛЛ и ДРЛ,

(АР ). Ц '&и Л

ы и 0 — для ДРИ,

(АР Л » 2,75^ '8и Л

.и 0 — для ДНаТ,

(АР' )■ Ч т Л

и 0 — для ДКсТ.

где 8 и, и — соответственно отклонение напряжения и номинальное напряжение сети; АР, Р — изменение мощности и номинальная мощность, потребляемая лампой.

На основании выражений, приведенных выше, получены зависимости удельного перерасхода актив-

1,6

Р

Р

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

ной мощности от отклонении напряжения для источников света (рис. 4).

Дополнительные потери активной мощности, вызванные отклонением напряжения на зажимах электроприемника (ЭП) определяются из выражения:

5Рди = АРди - АРном ,

где АРном, 8Рди — потери мощности в электрооборудовании при номинальном напряжении и напряжении, отличном от номинального, кВт [8].

Удельные дополнительные потери активной мощности в ЭП определяются в расчете на 1 кВт его номинальной мощности и могут быть выражены в %:

5Р

8РдГ

уд. 5 и

Р„.

-• 100%,

где Р — номинальная мощность ЭП, кВт.

^ ном ^ '

Удельный перерасход активной мощности в процентах к потерям в номинальном режиме показывает, насколько сильно отклонение напряжение влияет на потери мощности в электрооборудовании. На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

— потери мощности в электрической сети увеличиваются при снижении напряжения при загрузке трансформаторов выше 50 %, при недогрузке трансформаторов (до 30 %) — потери мощности в сети уменьшаются;

— потери мощности в ИС увеличиваются при повышении напряжения;

— потери мощности в АД увеличиваются при снижении напряжения при загрузке двигателей выше 50 %.

Поскольку преобладающей нагрузкой является АД, то для снижения потерь мощности в ЭП и электрических сетях, работающих с высокими коэффициентами загрузки, необходимо поддерживать уровень напряжения выше номинального в пределах

(1 — 1,1) и .

ном

Библиографический список

1. Схематические решения активной фильтрации кривой тока в четырехпроводной трехфазной сети для обеспечения

качества электрической энергии / В. Н. Горюнов [и др.] // Омский научный вестник. — 2011. — № 3 (103). — С. 214 — 217.

2. Суднова, В. В. Качество электрической энергии / В. В. Суднова. — М. : Энергосервис, 2000. — 80 с.

3. Нормирование показателей качества электрической энергии и их оптимизация / С. Л. Войнов [и др.] ; под ред. А. Богуцкого. — Иркутск, 1988. — 249 с.

4. Горюнов, В. Н. Расчет потерь мощности от влияния высших гармоник / В. Н Горюнов, Д. С. Осипов, А. Г. Лютаре-вич // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. - С. 268-273.

5. Жежеленко, И. В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях / И. В. Жежеленко, Ю. Л. Саенко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

6. Горюнов, В. Н. Вопросы моделирования устройств обеспечения качества электрической энергии / В. Н. Горюнов [и др.] // Омский научный вестник. - 2013. - №1 (117). -С. 168-173.

7. Айзенберг, Ю. Б. Справочная книга по светотехнике / Ю. Б. Айзенберг ; под ред. Ю. Б. Айзенберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Знак, 2006. - 972 с.

8. Перова, М. Б. Управление качеством сельского электроснабжения / М. Б. Перова, В. М. Саенко ; под ред. В. А. Воробьёва. - Вологда : Легия, 1999. - 214 с.

САФОНОВ Дмитрий Геннадьевич, старший преподаватель, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий».

ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ДОЛИНГЕР Станислав Юрьевич, ассистент, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий. БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Информационно-измерительная техника».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 05.03.2013 г.

© Д Г. Сафонов, А. Г. Лютаревич, С. Ю. Долингер,

С. В. Бирюков

Книжная полка

Теоретические основы электротехники. Интернет-тестирование базовых знаний : учеб. пособие / Г. Н. Герасимова [и др.] ; под ред. П. А. Бутырина, Н. В. Коровкина. - СПб. [и др.] : Лань, 2012. -

329 с. - 1БВЫ 978-5-8114-1205-1.

Учебное пособие содержит теоретические сведения и набор стандартных задач по теоретической электротехнике, а также подробные решения демонстрационных вариантов тестовых заданий, представленных на сайте Росаккредагентства (www.fero.ru). Тематическая структура пособия определяется дидактическими единицами государственных образовательных стандартов, которые, в свою очередь, разделяются на более узкие подразделы — так называемые аттестационные измерительные материалы (АПИМ). Такая структура во многом определяет специфику проведения и оценки результатов Федерального экзамена в сфере профессионального образования (ФЭПО) по дисциплинам основных образовательных программ. Пособие предназначено для подготовки студентов высших учебных заведений к интернет-тестированию по дисциплине «Теоретические основы электротехники», которое проводится в рамках ежегодного мониторинга учреждений высшего профессионального образования для оценки качества проведения учебного процесса.