В статье исследуется влияние несимметрии напряжения на распределительные системы и оборудование в различных практических случаях. Вначале вводится определение несимметрии напряжения, а затем описание источников несимметрии напряжения и, наконец, представлены результаты моделирования и обсуждение влияния несимметрии напряжения на системы и оборудование для конкретных случаев.
Ключевые слова: несимметрия напряжения, система распределения электроэнергии, эффективность системы, нейтральный провод.
Как правило, трехфазный баланс является идеальной ситуацией для энергосистемы. Однако однофазные нагрузки, однофазные распределенные ресурсы, несимметричное трехфазное оборудование и устройства, несбалансированные неисправности, плохие соединения с электрическими разъемами и многие другие факторы вызывают несимметрию энергосистемы и снижают качество электроэнергии. Трехфазные напряжения сбалансированной трехфазной силовой системы должны иметь одинаковую величину и находиться в смещении фазы на 120°. Несимметрия напряжения является одной из самых серьезных проблем с качеством электроэнергии [1].
Если трехфазное напряжение имеет одинаковую величину и находится в точно равном 120° фазном смещении, то трехфазное напряжение называется симметричным, в противном случае оно несимметричным. В симметричной системе нет обратной и нулевой последовательности, существуют только компоненты с положительной последовательностью симметричного трехфазного напряжения. Напротив, если система не симметрична, в системе могут существовать компоненты отрицательной последовательности или компоненты с нулевой последовательностью или и то, и другое.
Эффекты разрыва несимметрии напряжения на энергосистемах и оборудовании являются широкими и серьезными. Несимметрия напряжения может значительно сократить жизненный цикл оборудования, значительно ускорить замену оборудования и значительно увеличить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание системы. Кроме того, для трехфазной четырехпроводной системы несимметрия напряжения может вызвать более высокий ток нейтральной сети и привести к неисправности реле. Основные эффекты несимметрии напряжения описываются следующим образом.
1. Дополнительные потери мощности
Известно, что несимметрия напряжения всегда вызывает дополнительную потерю мощности в системе. Чем выше коэффициент несимметрия напряжения, тем больше рассеивается мощность. Это означает более высокие счета за электроэнергию [2,3].
2. Сбой двигателя
В общем случае трехфазный двигатель, питаемый симметричным трехфазным напряжением только с прямой последовательностью, создает только крутящий момент с прямой последовательностью. Дополнительные потери из-за несимметрии напряжения будут нагревать обмотки двигателя, привести к разрушению изоляции обмотки и, возможно, в конечном итоге привести к отказу двигателя. Напряжение обратной последовательности, вызванное несимметрии напряжения, создает противоположный крутящий момент и приводит к вибрации и шуму двигателя. Несимметрия напряжения может даже привести к отказу двигателя.
3. Снижение жизненного цикла
Высокие температуры, превышающие номинальное значение устройства, значительно уменьшают срок службы устройства и ускоряют цикл замены устройства, а также значительно увеличивают затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.
4. Неисправность реле
Высокий ток нулевой последовательности вследствие несимметрии напряжения может привести к нарушениям работы реле или уменьшить чувствительность наземного реле. Это может привести к серьезным проблемам безопасности в системе.
5. Неточное измерение
Обратная и нулевые последовательность несимметрии напряжений или токов будут приводить к неточным измерениям со многими видами счетчиков. Неточность измеренных значений может повлиять на пригодность настроек и координацию систем релейной защиты и правильность решений некоторых автоматических функций системы.
6. Сбой трансформатора
Трехфазное напряжение с высоким коэффициентом несимметрии может привести к тому, что поток внутри сердечника трансформатора будет несимметричным. Этот несимметричный поток вызовет дополнительную потерю сердечника, повысит температуру обмотки и может даже привести, в тяжёлом случае, к повреждению трансформатора.
Ранее в статье описывалось, что несимметрия напряжения создает дополнительные потери мощности, снижает эффективность системы, уменьшает жизненные циклы и т. д. Кроме того, некоторые ненормальные условия работы и обслуживания могут также приводить к несимметрии напряжения и оказывать негативное воздействие на системы и оборудование. Эти условия включают в себя такие проблемы, как плохие электрические контакты, неподходящая установка шунтирующего конденсатора, однофазное управление двигателем и т. д. Такие виды эксплуатации и условия обслуживания могут не возникать часто. Однако, если они действительно произойдут, то вызовут очень серьезные проблемы для системы или оборудования. Для решения этих проблем в этом разделе будет использовано несколько практических случаев.
1. Плохое соединение нейтрального провода
На рисунке 1 показана система питания промышленного предприятия в трехэтажном здании.
Рис. 1. Система питания промышленного предприятия в трехэтажном здании
Каждый этаж этого трехэтажного здания обслуживается однофазным нагрузкой с фазы. То есть первый, второй и третий этаж обслуживаются фазами a, b и c соответственно. Трансформатор рассчитан на 150 кВА и подключен схемой треугольника с нулевым проводом для обеспечения трехфазного четырехпроводного заземления 380/220 В. Трансформатор обеспечивает нагрузку 35 кВА при напряжении 220 В с коэффициентом мощности 0,9, отстающим от каждого этажа. В дневное время в будние дни большинство рабочих распределяются нагрузку поровну на три этажа, чтобы выполнить свою работу. Около трети рабочих будут работать ночью на первом этаже. Мощность первого этажа обеспечивается только фазой А от трансформатора питания.
В дневное время в будние дни система распределения электроэнергии на заводе, показанная на рисунке 1, работает нормально, однако это не так ночью. Люминесцентные лампы часто вспыхивают в ночное время. Две причины такого вспышки были обнаружены с помощью компьютерного моделирования с использованием подробных трехфазных элементов и сетевых моделей. Одно из них — неподходящее фазовое расположение однофазных нагрузок для всего здания, а другое — плохой электрический контакт нейтрального провода питающего трансформатора с заземляющим стержнем. Поскольку нейтральный провод трансформатора не был надежно подключен, контактное сопротивление между нейтральным проводом и разъемом составляло 15 кΩ. Это неприемлемо в соответствии с общими электрическими кодами.
Около трети рабочих работали ночью, все на первом этаже. Мощность для первого этажа была обеспечена только фазой А от трансформатора. Такая система обслуживания и загрузки вместе сделала систему крайне неуравновешенной. Кроме того, более серьезной проблемой было плохое соединение нейтрального провода трансформатора. Плохой электрический контакт вызвал чрезвычайно высокое сопротивление 15 кΩ. Этот дополнительный высокое сопротивление вызвало необычно высокое падение напряжения в цепи фазы. В этом случае напряжение фазы А падает от нормального напряжения 220 В до 182,5 В, около 17 % в расчете на номинальное напряжение. Если контактное сопротивление превышает 20 кΩ, это может привести к более серьезным проблемам, таким как гашение всех ламп. Эту проблему можно устранить, установив и поддерживая сопротивление контакта около нуля. Для улучшения баланса системы также необходимо обеспечить однофазную нагрузку на три этажа в дневное и ночное время.
2. Повреждение нейтрального провода
В этом случае речь идет о влиянии поврежденного нейтрального провода на несимметрию напряжения в системе 3φ4W. Для системы 3φ4W высокое сопротивление нейтрального провода может увеличить несимметрию напряжения, повредить подключенное оборудование и даже уничтожить все оборудование в тяжелом случае. Схематическая диаграмма для этого случая показана на рис.2.
Рис. 2. Принципиальная схема системы 3φ4W с поврежденным нейтральным проводом
Осветительные нагрузки, связанные с сеткой, снабжены симметричным трехфазным источником напряжения 220 В. Люминесцентные лампы рассчитаны на напряжение 220 В, 100 Вт каждый. Лампы неравномерно распределены по трем фазам. И, нормальное сопротивление нейтрального провода составляет 1 Ом.
Для системы с несимметричной трехфазной нагрузкой полное сопротивление нейтрального провода увеличит напряжение на нейтральном проводе. Результат моделирования показывает, что напряжения фаз B и C на терминале нагрузки подняты до 255,53 В и 232,7 В соответственно, и набирают 16,15 % и 5,77 % на основе номинального напряжения соответственно. Эти аномально высокие фазные напряжения могут повредить лампы в фазах B и C или ускорить их замещение. С другой стороны, напряжение в фазе А было уменьшено с 220 до 178,3 В. Это может привести к тому, что лампы начнут мигать. Если поврежденная нейтральная линия зафиксирована, то трехфазные напряжения вернётся к нормальному состоянию в симметричном режиме. Кроме того, если нагрузки распределены одинаково на три фазы, эта проблема также может быть устранена или сведена к минимуму.
3. Неподходящая установка конденсаторной батареи
Для снижения потерь энергии, которые можно предотвратить, коммунальные предприятия всегда требуют от своих потребителей поддержания коэффициента мощности в узком диапазоне, например, 0,95, что ведет к 0,9 запаздыванию. Штрафы будут применяться к потребителям электрическими комиссиями, если их коэффициенты мощности нагрузки превысят пределы. Установка шунтирующих конденсаторных батарей является наиболее распространенным и самым дешевым способом улучшения коэффициента мощности. Однако непригодная установка может ухудшить ситуацию.
Этот случай используется для обозначения проблемы неподходящей установки шунтирующих конденсаторных батарей. Принципиальная схема данного примера показана на рисунке 3. Трансформатор питания рассчитан на 150 кВА, 11,4 кВ-380/220 В и обеспечивает трехфазную нагрузку 105 кВА с запасом мощности 0,7. Шунтирующие конденсаторные батареи для коррекции низкого коэффициента мощности рассчитан на 20 квар. Сопротивление емкости шунтирующего конденсатора составляет 1,805 Ом на фазу.
Однофазный конденсаторный блок подключен к фазе b для повышения коэффициента мощности системы. Этот тип установки должен сделать систему несимметричной. Эта неподходящая установка потребляет дополнительную реальную мощность 34,422,57 Вт. Это можно получить вручную. Подходящим способом повышения коэффициента мощности системы в этом случае является установка трехфазной конденсаторной батареи вместо однофазной конденсаторной батареи. Этот случай указывает на то, что системный баланс следует учитывать при установке конденсаторной батареи для коррекции коэффициента мощности системы для трехфазной системы распределения электроэнергии.
4. Работа трехфазного двигателя при несимметрии напряжения
В этом случае исследуются воздействия несимметрии напряжения на трехфазный двигатель с треугольной схемой соединения. Известно, что несимметрии напряжения не только снижает эффективность двигателя, но и сокращает его жизненный цикл и, следовательно, значительно увеличивает затраты на эксплуатацию и обслуживание двигателя.
Высокий коэффициент несимметрии напряжения может привести к неэффективности работы двигателя и частому отказу. В практическом случае двигатели на заводе периодически отказываются.
Неравномерная нагрузка приводят к напряжению на клеммах и несимметрии тока неприемлемого уровня. Обнаружено, что коэффициент несимметрии напряжения достигает 3,16 % и приводит к повышению температуры обмотки на 16,7 % ~ 19,8 % по сравнению с тем, что нормальным симметричным случаем. Повышение температуры производится вручную путем использования эмпирических правил, которые обычно используются промышленностью.
Несколько случаев были использованы для подтверждения влияния несимметрии напряжения на систему и оборудование. Несимметрия напряжения не только вызывает дополнительные потери энергии, но также создает проблемы безопасности для системы. Чтобы предотвратить несимметрия напряжения, проблему несимметрии должна быть учтена на всех этапах планирования, проектирования, монтажа и эксплуатации. В этой статье представлены некоторые случаи, в которых теоретический анализ и пояснения позволяют легко понять влияние несимметрии напряжения на системы и оборудование.
Литература:
- Руди, Д. Ю. Негативное влияние несимметрии и методы их устранения в системе электроснабжения / Д. Ю. Руди, Н. А. Ткачук // Теория и практика современной науки. XX Международная научно-практическая конференция. [Электронный ресурс]. — М.: Издательство «Олимп», 2017. — с. 87–90
- Дед, А. В. Оценка дополнительных потерь мощности от несимметрии напряжений и токов в элементах систем электроснабжения / А. В. Дед, А. В. Паршукова, Н. А. Халитов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10–3. С. 421–425.
- Дед, А. В. Дополнительны потери мощности при несимметрии напряжения в электрических машинах / А. В. Дед, А. В. Паршукова // В сборнике: РОЛЬ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК В РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА Сборник статей Международной научно-практической конференции. 2014. С. 10–13.
