Несимметрия напряжения в низковольтных электрических сетях приводит к снижению качества и потерям электрической энергии, повышению риска отказа электросетевого оборудования, снижению его КПД. Целью исследования являлось изучение изменения параметров качества электрической энергии после установки вольтодобавочного трансформатора (бустера в существующую трехфазную сеть напряжением 0,4 кВ населенного пункта «Воскресенка» Пронского района Рязанской области (коэффициент несимметрии по нулевой последовательности, коэффициент несимметрии по обратной последовательности). Симметрирование режимов электрической сети трехфазной системы минимизацией токов обратной и нулевой последовательности позволяет снизить потерю напряжения, электрической мощности и энергии в электрической сети конечных потребителей, улучшить качество электроснабжения на участке сети от питающего центра до устанавливаемого электрооборудования.
Ключевые слова: электроснабжение, линия электропередачи, вольтодобавочный трансформатор, качество электрической энергии, несимметрия в электрических сетях, токи обратной последовательности, токи нулевой последовательности.
В последние годы рост электрических нагрузок в низковольтных электрических сетях обусловлен увеличением количества используемых бытовых приборов и их единичной мощностью.
В бытовом секторе нагрузки преимущественно носят однофазный характер. Вариабельность нагрузок по фазам в низковольтной электрической сети не позволяет четко распределить и зафиксировать распределение нагрузок по фазам и построить симметричную передачу электрической энергии. Сетевые компании решают проблемы несимметрии при устранении ситуаций с низким уровнем напряжения у конечных потребителей. Когда несимметрия не снижает уровня напряжения у конечного абонента, она не выявляется и не устраняется.
В последние годы при сверх нормативном падении напряжения в сетях применяют вольтодобавочные трансформаторы (далее — ВДТ). ВДТ увеличивает напряжение в сети и устраняет несимметрию токов и напряжений.
Взаимосвязь процессов, проходящих в электрическом узле, при действии ВДТ уравновешивает (симметрирует) напряжение на конце (у потребителя) и в начале (на питающем центре). Это положительно влияет на другие отходящие линии сети и присоединения. Применение ВДТ улучшает качество электроснабжения так как является симметрирующим устройством. При этом отпадает необходимость в конденсаторных установках.
Несимметрия напряжения характеризуется появлением соответственно токов и напряжений обратной I2, U2 и нулевой последовательности U0, I0. Она приводит к дополнительным потерям мощности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели [1, 2, 3]. Токи обратной и нулевой последовательностей увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряжения и токи этих же последовательностей — в поперечных ветвях системы электрической сети (схемы ее замещения). Наложение U2 и U0 приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результате напряжения могут выйти за допустимые пределы, [5, 6].
Симметрирование электрической сети позволяет снизить экономические потери в результате перекоса фаз и обеспечивает длительную безаварийную работу электросетевого оборудования.
Проведение исследования обусловлено необходимостью изучить возможность снижения несимметрии напряжения, используя ВДТ.
Целью исследования являлось:
− изучение устройства, технических характеристик, правил установки и эксплуатации вольтодобавочных трансформаторов;
− изучение изменения параметров качества электрической энергии (коэффициент несимметрии по нулевой последовательности, коэффициент несимметрии по обратной последовательности)после установки ВДТ в населенном пункте (н. п.) «Воскресенка» Пронского района Рязанской области.
Методика исследования.
Анализ качества электрической энергии у потребителей и на питающем центре до и после установки вольтодобавочного трансформатора на ВЛ-0,4 кВ проведен в населенном пункте (н. п.) «Воскресенка» Пронского района Рязанской области. До начала установки ВДТ на замкнутом участке сети были проведены замеры показателей качества электрической энергии. Работы по установке трансформатора были проведены в пределах одного рабочего дня бригадой Пронского РРЭС филиала «Рязаньэнерго» ПАО «МРСК Центра и Приволжья». Для определения влияния вольтодобавочного трансформатора на асимметричность электрической системы, после его установки были также проведены замеры и расчеты коэффициентов обратной и нулевой последовательности напряжения.
Для измерения параметров качества электрической энергии применялся прибор «Прорыв-КЭ».
Для расчетов несимметричных режимов в трехфазных цепях применяли метод симметричных составляющих, основанный на представлении любой трехфазной несимметричной системы величин (токов, напряжений, магнитных потоков) в виде суммы трех симметричных систем величин. Симметричные составляющие отличаются друг от друга порядком следования фаз, т. е. порядком, в котором фазные величины проходят максимум, [6, 7].
Система прямой последовательности состоит из трех векторов А1, В1, С1 величин, равных по модулю и повернутых относительно друг друга на угол 1200, причем вектор В1 отстает от вектора А1 на угол 1200. Система обратной последовательности состоит из трех векторов А2, В2, С2 величин, равных по модулю и повернутых относительно друг друга на угол 1200, однако вектор В2 опережает вектор А2 на угол 1200. Система нулевой последовательности образована тремя векторами А0 = В0 = С0, совпадающими по фазе и равными по модулю, [7, 9].
Расчет несимметричных режимов в трехфазных цепях сводится к решению системы уравнений:
(1)
где 
— оператор трехфазной системы.
Неравномерная нагрузка фаз увеличивает потери электроэнергии в фазах, так как
(2)
где 
— среднее значение величины (тока, напряжения, магнитного потока), [5, 9].
Она создает дополнительные потери за счет прохождения тока по нулевому проводу, возникновения сопротивления нулевой последовательности, уменьшает напряжение у потребителя за счет напряжения обратной и нулевой последовательности.
Результаты исследований.
Существующая воздушная линия электропередачи в населенном пункте (н. п.) Воскресенка построена в 1960–70 годах. Она была выполнена алюминиевыми проводами сечением 25 мм2 марки 4А-25 [8], (рис.1).
Рис. 1. Поопорная схема ВЛ-0,4 кВ от КТП № 2838 н. п. «Воскресенка»
При существующих в 1960–90 годах нагрузках воздушная линия электропередачи полностью обеспечивала потребителей электрической энергией, соответствующей по качеству требованиям соответствующих ГОСТов.
Потеря напряжения ∆U не превышала 7 % Uном в линии электропередачи, а установившееся отклонение напряжения δUy у потребителей было не более 4–5 % Uном.
За 2005–2014 годы нагрузки потребителей значительно возросли. У потребителей населенного пункта появилась разнообразная бытовая техника: электрические стиральные машины, кухонные комбайны, мясорубки, соковыжималки, посудомоечные машины, компьютеры, телевизоры, кондиционеры и другое оборудование. Кроме того, в населенном пункте реконструировались дома, строились новые и протяженность воздушной линии электропередачи увеличивалась. Это привело к постепенному существенному и устойчивому отклонению напряжения от параметров, нормируемых ГОСТом 32144–2013, [1]. Население (потребители) выражало недовольство низким качеством электрической энергии.
Замеры напряжения на питающем центре позволили установить коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательности.
Согласно ГОСТ 32144–2013, несимметрия напряжений характеризуется двумя показателями: коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности (K2U); коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности (K0U).
Для указанных показателей ГОСТ 32144–2013 установлены следующие нормы:
− значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности и несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
− значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности и несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю, [1].
Значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности (K2U) вычисляют как результат усреднения N наблюдений (K2Ui) (число наблюдений должно быть не менее 9) на интервале времени, равном 3 с, по формуле:
(3)
Значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности (K2Ui) в каждом наблюдении i определяют в процентах:
(4)
где U2(1)i –– действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении;
U1(1)i — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении В, кВ.
При определении K2Uiдопускается вычислять U2(1)i по приближенной формуле:
(5)
где Uнб(1)i, Uнм(1)i — наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений основной частоты в наблюдении i, В, кВ.
Если коэффициент несинусоидальности не превышает 5 %, то вместо действующих значений напряжений основной частоты допускается использование действующих значений напряжений с учетом всех гармонических составляющих, [2].
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности находится в пределах нормы (рис.2) и соответствует ГОСТ 32144–2013.
Рис. 2. График коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности до установки ВДТ
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности определяют по отношению напряжения нулевой последовательности к номинальному фазному напряжению.
Коэффициент несимметрии по нулевой последовательности K0U — это усредненные N наблюдений K0Ui(количество наблюдений N должно быть не менее 9) на интервале времени, равном 3 с. Его определяют по формуле
(6)
Значение коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в каждом i-м наблюдении определяется в процентах:
(7)
где U0(1)i –– действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в наблюдении i, Uном.ф. –– номинальное значение фазного напряжения, В (кВ).
При симметрии междуфазных напряжений допускается вычислять U0(1)iпо приближенной формуле, аналогичной формуле (3) при замене междуфазных значений на наибольшее Uнб.ф(1)i и наименьшее Uнм.ф(1)Iиз трех действующих значений фазных напряжений основной частоты в i -м наблюдении, [2].
Напряжение нулевой последовательности возникает в сетях низких напряжений с нейтральным проводником при существенно несимметричных нагрузках, а также в сетях напряжением до 35 кВ с незаземленной нейтралью (или заземленной через заземляющий реактор) при замыканиях на землю. Ток в нейтральном проводнике, равный трехкратному току нулевой последовательности существенно увеличивает нагрузку нулевого провода и приводит к повышенным потерям мощности в сети и значительным снижениям напряжений.
Рис. 3. График коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности до установки ВДТ
Коэффициент напряжения нулевой последовательности до установки ВДТ не укладывается в параметры ГОСТ 32144–2013, так как не только превышает 2 % в течение более 5 % времени наблюдения, но и в отдельные моменты превышает недопустимые 4 %, (рис.3).
Вольтодобавочный трансформатор типа ТВМГ-52/125–380 представляет собой трехфазный автотрансформатор, в цепь первичной обмотки которого включена катушка с регулируемой индуктивностью MCI. Он предназначен для повышения и стабилизации напряжения, компенсации асимметричности нагрузки в трехфазной сети потребителей переменного тока напряжением 0,4 кВ частотой 50 Гц, [4, 8]. Работа трансформатора улучшает показатели качества электрической энергии для всех потребителей, подключенных к воздушной линии.
Вольтодобавочный трансформатор предназначен для наружной установки с длительным режимом работы в умеренных климатических условиях. Его устанавливают в разрез линии электропередачи трехфазной сети потребителей переменного тока напряжением 0,4 кВ.
Рис. 4. График коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности после установки ВДТ
Рис. 5. График коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности после установки ВДТ
Анализ полученных данных свидетельствует о следующем:
− Коэффициент обратной последовательности (который был и до установки ВДТ в пределах нормы) снизился в среднем значении почти на 26 %. Его среднее значение составило после установки ВДТ 0,45 %, тогда как до установки ВДТ оно составляло 0,61 % (рис.4).
− Коэффициент нулевой последовательности (который до установки ВДТ не удовлетворял ГОСТ) в полной мере соответствует требованиям ГОСТ, ни разу не отмечено превышение двухпроцентного порога. При этом среднее значение коэффициента после установки ВДТ составило 0,52 %, что на 60 % ниже его среднего значения до установки ВДТ (1,27 %) (рис.5).
Установка вольтодобавочного трансформатора существенно улучшает показатели симметрии напряжения на питающем центре, до значений показателей, установленных ГОСТом.
Выводы.
Установка вольтодобавочного трансформатора улучшает показатели качества электроэнергии у потребителя. Это приводит к симметрированию напряжения на питающем центре, равному нормируемым ГОСТом 32144–2013 значениям показателей, снижает величины токов обратной и нулевой последовательности. При этом следует отметить, что улучшение качества электрической энергии достигается без дорогостоящей реконструкции электрических сетей, необходимой при ином варианте устранения влияния несимметричных однофазных нагрузок потребителей на качество электрической энергии (замена провода малого сечения на провод большего сечения, разделение нагрузок с установкой нового питающего центра).
Заключение.
Использование вольтодобавочных трансформаторов в низковольтных электрических сетях позволяет быстро и с меньшими затратами устранить отклонения напряжения электрической энергии от параметров, нормируемых ГОСТом 32144–2013, обеспечить симметрирование нагрузок в сети и соблюдать обязательные требования ГОСТ, сокращая потери сетевых организаций от токов обратной и нулевой последовательности.
Литература:
- ГОСТ 32144–2013 Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения, М.6 Стандарт информ, 2014 г.
- Ананичева С. С. Качество электроэнергии. Регулирование напряжения и частоты в энергосистемах: учебное пособие/С. С. Ананичева, А. А. Алексеев, А. Л. Мызин; 3-е изд., испр. Екатеринбург: УрФУ. 2012 г.
- Васильева Т. Н. Надежность электрооборудования и систем электроснабжения. — М.: Горячая линия — Телеком, 2014.
- Вольтодобавочный трансформатор ТВМГ ТУ 3411–001–80753268–08 Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Белгород, ООО «СКЭ-Электро», 2009 г.
- Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 2000.
- Идельчик В. И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
- Лещинская Т. Б., Будзко И. А., Электроснабжение сельского хозяйства. М.: Колос, 1999.
- Васильева Т. Н., Костин Ю. В. Опыт применения вольтодобавочных трансформаторов в низковольтных электрических сетях. // «Электроэнергия. Передача и распределение», № 5(32), 2015, С. 54–58.
- Вохидов А. Д., Немцев Г. А. К определению потерь мощности при несимметричной нагрузке. //Вестник Чувашского университета, № 1, 2015, С. 56–58.
