Влияние несинусоидальности и несимметрии напряжения на протяженные сети 0,4 кВ



В последние годы энергопотребление в ряде энергосистем превысило промышленное потребление электроэнергии, что привело к нарушению симметрии и уравновешенности систем напряжений и токов. Поэтому задача совершенствования расчета, а также снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях с несимметричными нагрузками является актуальной научно-технической проблемой энергетики.

Ключевые слова: несимметрия, несинусоидальность, сети 0.4 кВ, электроэнергия.

Вопрос влияния несинусоидальности и несимметрии напряжения на протяженные сети о,4 кВ в России очень актуален. Во многих индустриально развитых странах на сеть воздействуют мощные нелинейные нагрузки, которые искажают форму кривых тока и напряжения в электрических сетях. Подключение таких нагрузок допускается лишь с соблюдением требований по обеспечению качества электрической энергии для этого имеются в наличии соответствующие корректирующие устройства. При этом суммарная мощность вновь вводимой нелинейной нагрузки не должна превышать 3–5 % от мощности всей нагрузки энергокомпании.

Противоположная картина наблюдается в Российской Федерации, где такие потребители подключаются довольно беспорядочно. Выдача технических условий на подключение в основной массе случаев имеет чисто формальный характер из-за отсутствия стандартных способов и массовых сертифицированных устройств, и отказ от фильтрокомпенсирующих, симметрирующих, многофункциональных оптимизирующих устройств и т. д, приводит к ухудшения состояния КЭ. В конечном итоге электрические сети России были переполнены искажающим оборудованием.

Причинами асимметрии искажений могут быть несимметричные режимы в электрических сетях, возникающие по следующим причинам: неравномерные нагрузки в разных фазах; внефазная работа линий или других элементов сети; различные параметры линий в разных фазах. Чаще всего несимметрия напряжения образуется из-за неравномерности фазовой нагрузки. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников малой мощности. В высоковольтных сетях асимметрия обычно выражена наличием мощных однофазных электрических приемников, а в редких случаях трехфазных электрических приемников с неравным потреблением в фазах. К последним относится дуговая сталеплавильная печь.

Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38–10 кВ — это однофазные термические установки, индукционные плавильные печи, печи сопротивления, руднотермические печи и различные нагревательные установки. Кроме того, сварочные аппараты и тяговые подстанции железных дорог, электрифицированные на переменном токе, относятся к несимметричным силовым приемникам. Неравенство параметров линий по фазам происходит в таких случаях, когда при отсутствии транспозиции на линии или ее протяженных циклах. Самыми эффективными являются методы ликвидации асимметрий, базирующихся на применении специальных балансировочных устройств (СУ), которые позволяют удалить токи нулевой и обратной последовательности. Они позволяют уменьшить одновременность несимметрией токов (напряжений) и уровни высших гармоник. Источники несинусоидальности напряжений и токов — наличие вентильных преобразовательных установок и электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Главное влияние оказывают вентильные преобразователи, которые в наше время повсеместно используются в промышленности и на транспорте. Самые распространенные преобразователи затвора на полупроводниках (тиристорные преобразователи), мощность которых все время увеличивается. В основном источники несинусоидальности оказываются входящими в состав несимметрично, например, дуговые сталеплавильные печи, а также тяговые подстанции железных дорог, электрифицированные на переменном токе.

Результаты анализа состояния качества электроэнергии в плане несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в распределительных сетях 0,4 кВ отражены в таблице 1. Анализ выполнен на примере распределительных сетей 0,4–10 кВ электрических сетей, имеющих стандартный набор потребителей (коммунально-бытовая нагрузка, промышленная нагрузка, нагрузка тяговых подстанций электрического транспорта), следовательно, полученные результаты вероятностного исследования состояния качества электроэнергии будут верны для основных распределительных сетей 0,4-кВ в общем.

Таблица 1

Числовые характеристики коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения КU инесимметрии напряжений по обратной инулевой последовательности K2Uи K0U на шинах 0,4 кВ ТП–10(6)/0,4 кВ

Коэф-фициент	Миним. значение, %	Верхнее значение, %	Максим.значение, %	Мат. ожидание, %	Средне-квадр. откло-нение, %
КU	0,30	0,90 ÷ 5,54	1,02 ÷ 6,94	2,60	0,63
K2U	0,02	0,45 ÷ 1,80	0,50 ÷ 5,30	1,18	0,13
K0U	0,02	0,13 ÷ 7,17	0,22 ÷ 9,90	1,43	0,38

Гармонические части напряжения определяются, по аналогии, нелинейными нагрузками пользователей электрических сетей, которые подключаются к электрическим сетям различного напряжения. Гармонические токи, которые протекают в электрических сетях, создают спад напряжений на полных сопротивлениях электрических сетей. Гармонические токи, полные сопротивления электрических сетей и, вытекает отсюда, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электрической энергии, изменяются со временем. К показателям КЭ, которые относятся к гармоническим составляющим напряжения, можно отнести:

– значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка KU(n) % напряжения основной гармонической составляющей U1 в точке передачи электрической энергии;

– значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения (отношения среднеквадратического значения суммы общих гармонических составляющих до 40-го порядка к среднеквадратическому значению основной составляющей) KU(n), % в точке передачи электрической энергии.

Числовые характеристики рассматриваемых ПКЭ в сети 0,4 кВ, рассчитанные по данным замеров, также указаны в таблице 1.

Анализ верхних и максимальных значений коэффициентов КU, K2U и K0U описал, что в точках общего присоединения к сети 0,4 кВ (шины 0,4 кВ ТП–10(6)/0,4 кВ) требования ГОСТ Р 32144–2013 к качеству электроэнергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения КU сохраняются, а для несимметрии напряжений могут как сохраняться, так и нет. В этом процессе нередко нарушаются требования ГОСТ к коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U, редко по обратной K2U. Спектральный состав напряжения в распределительной сети 0,4 кВ от спектра гармоник в сети 10 кВ отличается существованием значимых 9 и 15 гармонических составляющих напряжения, а также, амплитуды высших гармоник в сети 0,4 кВ превышают амплитуды ВГ в сети 10 кВ, в результате чего нарушаются требования ГОСТ Р 32144–2013 к качеству электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения. Изучение спектрограмм напряжения в сети 0,4 кВ позволил определить статистические характеристики верхних значений коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения, по данным наблюдений ПКЭ, результаты расчетов для гармоник с самыми значительными амплитудами даны в таблице 2.

Таблица 2

Вероятностные характеристики верхних значений КU(n)на шинах 0,4 кВ ТП–10(6)/0,4 кВ

Гармоническая составляющая	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21
КU(n) в min, %	0,31	0,66	0,24	0,08	0,11	0,09	0,03	0,05	0,04	0,02
КU(n) в ср, %	2,66	2,22	0,55	0,48	0,35	0,30	0,18	0,16	0,15	0,12
КU(n) в max, %	4,32	4,13	1,26	1,91	0,64	0,64	0,43	0,31	0,41	0,22
σ (КU(n) в), %	1,66	1,10	0,13	0,24	0,08	0,07	0,07	0,06	0,06	0,04

Объединив итоги вероятностного анализа показателей качества электроэнергии в плане несинусоидальности и несимметрии напряжений в распределительной сети 0,4 кВ, необходимо отметить следующее:

1. коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения находится в диапазоне от 0,29 % до 6,94 %
2. коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности — от 0,01 % до 5,30 %;
3. коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности —0,01 % до 9,90 %;
4. закон распределения плотности вероятности КU носит случайный невыявляемый характер, в отличие от законов распределения плотности вероятности К2U и К0U, являющихся в основном нормальными;
5. разброс значений коэффициентов КU, К2U и К0U между точками общего присоединения к сети 0,4 кВ распределения очень большой, что зависит от близости источников искажений;
6. основная от часть несимметрии напряжений приводит к несимметрии высших гармоник;
7. самыми большими амплитудами распределения в спектре напряжений обладают 3, 5, 9, 7, 11, 13, 15, 17, 19 и 21 гармоники (в порядке убывания);
8. качество электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения KU в распределительных сетях 0,4 кВ соответствует требованиям ГОСТ 32144–2013, по коэффициенту некоторых n-ых гармонических составляющих напряжения не соответствует, по коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U в основном не соответствует требованиям ГОСТ, а по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U часто не соответствует.

Литература:

1. ГОСТ 32144 2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
2. Железко Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. — М.: ЭНАС, 2009, 456 с.
3. Карташев И. И., Тульский В. Н., Шамонов Р. Г. Управление качеством электроэнергии. Издательский дом МЭИ, 2008.