Исследование коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в распределительных сетях низкого напряжения | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Руди Д. Ю., Коровин Д. А. Исследование коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в распределительных сетях низкого напряжения [Текст] // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2018 г.). — СПб.: Свое издательство, 2018. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/288/14243/ (дата обращения: 25.06.2018).

Препринт статьи



В статье описаны процессы, связанные с появлением несимметрии трехфазной системы напряжений в электрических сетях, пояснены причины, почему это явление является нежелательным. Рассмотрены причины возникновения несимметрии напряжений и их влияние на работу электрического оборудования и энергосистему в целом. Несимметрия напряжения в низковольтных электрических сетях приводит к снижению качества и потерям электрической энергии, повышению риска отказа электросетевого оборудования, снижению его коэффициента полезного действия (КПД). Рассмотрены вопросы снижения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности и даны основные рекомендации, позволяющие улучшить качество электроэнергии для соответствия его требованиям ГОСТа 32144–2013, отвечающий за нормы показателей качества электрической энергии в системах электрического снабжения общего назначения. Симметрирование режимов электрической сети трехфазной системы минимизацией напряжений обратной 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. В заключении отмечено, что на данный момент проблема несимметрии напряжений требует незамедлительного решения, так как электрические сети 0,4 кВ характеризуются значительной несимметрией напряжений.

Ключевые слова: качество электрической энергии, коэффициент несимметрии напряжения, несимметрия, потери электроэнергии, симметрирующее устройство, электрическая сеть низкого напряжения.

Растет озабоченность по поводу поставок электроэнергии промышленным предприятиям, главным образом, когда их процессы основаны на восприимчивых нагрузках. В таком случае качество электроэнергии становится чрезвычайно актуальным. Показатели надежности и уровни напряжения, например, являются параметрами, гораздо более регулируемыми сейчас. К другим явлениям качества электроэнергии также относятся гораздо более подробно, такие как провал напряжения, гармонические искажения, несимметрии напряжений и тока и т. д.

В данной статье представлена методология измерения, мониторинга и контроля несимметрии напряжений в распределительных сетях низкого напряжения. Распределение однофазных и двухфазных нагрузок по сети и их случайные значения мгновенной потребности можно рассматривать как основные причины несимметрии напряжений в трехфазной системе электроснабжения.

Вопреки некоторым другим нарушениям в электроэнергетических системах, для которых производительность очевидна для обычного потребителя, несимметрия напряжений относится к тем возмущениям, в которых их ощутимые эффекты возникают в долгосрочной перспективе.

Несимметрия напряжений приводит к резкому снижению эффективности трехфазных асинхронных двигателей. Поскольку асинхронные двигатели представляют наибольшую часть промышленных нагрузок, видно, что несимметрия напряжений следует тщательно изучать и контролировать [1].

Поскольку несимметрия напряжений влияет на оборудование, это нарушение должно решаться статистическим анализом. Что касается регулирования напряжения и несиммметрия напряжений, то мировая тенденция состоит в том, чтобы рассмотреть их мониторинг и измерение на 10-минутных интервалах в течение 1 недели [2].

Несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения учитывает изменение фазовых углов и / или величины фазовых напряжений. В работе [3] приведены основные последствия несимметрия напряжений.

Распределительные сети низкого напряжения — основное внимание в этой статье — вводят небольшую несимметрию напряжений из-за их сопротивлений. Основная причина может рассматриваться как несимметрию тока из-за распределения однофазных и двухфазных нагрузок по сети, таких как общественное освещение и жилые помещения.

Коэффициент несимметрии напряжений обычно связан с системой отрицательных симметричных компонентов. Это связано с большим количеством единиц оборудования, которые имеют свою эффективность и влияние на жизнь, в основном такие, как генераторы и двигатели, где большая часть электроэнергии преобразуется.

Коэффициент несимметрии по обратной последовательности и нулевой последовательности определяются по следующим формулам [4–6]:

; (1)

. (2)

где — напряжение нулевой последовательности;

— напряжение прямой последовательности в трехфазной системе электроснабжения;

— напряжение обратной последовательности в трехфазной системе электроснабжения.

Уровень значений коэффициента несимметрии по обратной последовательности, равный 2 % будем считать нормально допустимым, равный 4 % — предельно допустимым [2].

Уравнение (1) позволяет вычислять несимметрию напряжения в системе только с использованием межфазных напряжений. Такое вычисление выполняется с использованием величины напряжения только тогда, когда методы, основанные на напряжениях фазы к земле, требуют величины и фазовых углов. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности K2U может быть рассчитан по формуле:

, (3)

где , в свою очередь — основная составляющая напряжения между фазами и .

Для исследования качества функционирования сети по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности проведено исследование на литейном участке промышленного предприятия, нагрузками которого являются дуговые сталеплавильные печи.

Источником кондуктивной низкочастотной ЭМП является литейный участок, в состав которого входят 4 нагрузки каждая мощностью 170 кВ∙А, то можно сделать вывод, что при уменьшении этой мощности значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности должны также уменьшаться.

Чтобы убедиться в верности данного суждения, в разработанной модели мы уменьшали мощности нагрузок с 190 кВ∙А до 30 кВ∙А с шагом 20 кВ∙А. При этом на каждом шаге уменьшения значения мощности всех 4-х нагрузок были одинаковы.

Таблица 1

Изменения значения коэффициентов несимметрии напряжения при уменьшении значений мощности нагрузки

Мощность нагрузки, кВА

0,4 кВ

UАВ

UВС

UАС

K2U

190

360,1

388,9

354

4,7

170

364

391

359,6

4,2

150

368,4

393,2

364,7

3,8

130

372,6

395

369,9

3,3

110

376,9

396,5

375

2,8

90

381,1

397,7

379,9

2,4

70

385,3

398,7

384,6

1,9

50

389,5

399,4

389,1

1,4

30

393,7

399,7

393,3

0,82

Все полученные с помощью модели, приведённой в работе [7] значения мощностей нагрузок и линейных напряжений, а также вычисленные с помощью формулы (3) значения коэффициентов несимметрии напряжения сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Значения мощностей нагрузок, линейных напряжений икоэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности всетях 0,4 кВ при перегрузки фаз Аи В

Мощности нагрузок

Линейное

Напряжение сети 0,4 кВ

Значение

К2U в

сети

0,4 кВ,%

P1,

кВ·А

P2,

кВ·А

P3,

кВ·А

P4,

кВ·А

UAB, В

UBС, В

UAС, В

170

181

146

202

354,3

363,8

383,7

3,7

172

182

170

174

359

358,7

383,9

3,6

204

192

176

185

353,7

355,4

383,9

4,3

163

138

137

168

363,3

368

386,4

3,0

205

156

167

195

356,1

360,8

382,2

3,5

165

198

166

170

357,7

358,2

385,7

4,0

156

189

172

211

355,2

361,9

379,4

3,1

141

155

185

155

367,7

361,8

382,4

2,6

150

154

149

149

365,7

364,7

387,5

3,2

188

169

165

154

360,7

358,2

387,6

4,1

181

146

170

138

366,5

359,8

387,1

3,5

182

170

202

151

363,8

354,4

383,1

3,6

192

176

174

162

359,3

356,8

385,8

4,0

138

137

185

172

368,2

365,4

379,1

1,8

156

167

168

151

364,4

360,7

386,1

3,4

198

166

195

162

360,9

354,9

383,4

3,8

189

172

170

181

357,4

359,1

383,9

3,7

155

185

211

200

359,2

357,3

376

2,6

154

149

155

176

363,1

366,2

383,5

2,7

169

165

149

170

360,1

363,2

386,6

3,6

146

170

154

172

361,8

364,4

384,9

3,1

170

202

138

204

351,1

362,5

385,3

4,3

176

174

151

163

359,5

361

387,7

3,9

137

185

162

205

357,5

364,7

380,3

2,9

167

168

172

165

361,9

360,2

384,5

3,4

166

195

151

156

358,7

359

389,1

4,4

172

170

162

141

363,6

359

388,6

3,9

185

211

181

150

357,5

352

387,6

4,8

149

155

200

188

364,1

361,7

376,9

2,0

165

149

176

181

362,3

363,2

380,9

2,6

170

154

170

182

361,3

362,9

382

2,9

202

138

172

192

358,9

362,2

381,3

3,0

174

151

204

138

368,4

356,1

383,1

3,3

185

162

163

156

361,6

359,7

386,8

3,8

168

172

205

198

359,5

358,1

376,8

2,6

195

151

165

189

358,2

362

382,6

3,3

170

162

156

155

362,7

361,7

387,2

3,6

211

181

141

154

355,9

357,6

391,5

5,0

155

200

150

169

357,5

360,5

387,5

4,1

149

176

188

146

365,9

357,9

384,3

3,3

154

170

181

170

362,9

360,5

382,2

2,9

138

172

182

176

363,5

362

380,8

2,6

151

204

192

137

363,7

353,5

386,3

4,2

162

163

138

167

360,7

365,1

387,7

3,6

172

205

156

166

356,1

357,6

388

4,5

151

165

198

172

364,3

359,4

379,9

2,7

162

156

189

185

362,5

361,5

379,2

2,5

181

141

155

149

364,8

362,8

387,4

3,4

200

150

154

165

360

361,3

386,8

5,8

176

188

169

170

358,1

358

385,4

4,0

Обработка полученных значений K2U с помощью моделирования проводилась с помощью программы для ЭВМ, в которой рассчитаны параметры закона распределения исследуемой случайной величины, а также определены вероятности появления кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности при данных массивах значений K2U. Интерфейс результатов обработки значений K2U в сетях низкого напряжения представлен на рисунке 1.

Перегружена фаза А и В 0,4

Рис. 1. Результаты обработки значений K2U в сети 0,4 кВ при перегрузке фаз А и В

Для решения проблемы несимметрии напряжений существует несколько мероприятий.

  1. Использование межфазных переменных сопротивлений.

Одним из способов снижения несимметрии напряжений является выравнивание нагрузок по фазам [7]. Техническим решением данного способа является введение дополнительного межфазного переменного сопротивления. В работе [8] выявленные зависимости позволяют определиться с направлением и порядком изменения значений сопротивлений. При этом становится известным, как изменятся значения линейных напряжений, что позволит найти верное направление для уменьшения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. Варьируя данными зависимостями, можно подобрать конечные значения межфазных сопротивлений, при которых значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности станет в пределах, нормируемых ГОСТ 32144–3013.

  1. Увеличение мощности трансформатора в системе.

В работах [4,9] исследуются зависимости коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности для высокого и низкого напряжения от мощности силового трансформатора. В ходе эксперимента при уменьшении мощности трансформатора на низком напряжении коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности увеличивается, а на высоком — уменьшается. Причем данные зависимости наблюдаются при разных мощностях источника напряжения, разница лишь в том, что при более высокой мощности источника зависимости, как для высокого, так и для низкого напряжения начинаются с меньших значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности.

Увеличение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в сети низкого напряжения при снижении мощности трансформатора можно объяснить тем, что мощность нагрузки растет относительно мощности трансформатора и запас по мощности трансформатора уменьшается.

При этом с увеличением мощности источника питания возрастает степень увеличения значений коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности при снижении мощности силового трансформатора.

Уменьшение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в сети напряжения 10 кВ при снижении мощности трансформатора можно объяснить тем, что мощность источника напряжения относительно мощности трансформатора увеличивается и, соответственно, увеличивается запас по мощности источника питания.

При этом с увеличением мощности источника питания уменьшается степень уменьшения значений коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности при снижении мощности силового трансформатора.

  1. Применение симметрирующего устройства.

Еще одним техническим решением выравнивания нагрузок по фазам является введение симметрирующего устройства трансформаторного типа. Реализуется оно с помощью изменения величины емкости конденсатора или индуктивности катушки. Проведенные исследования, описанные в статье [3], показали, что такое симметрирующее устройство позволяет снизить несимметрию напряжений до тех значений, которые нормируются ГОСТом 32144–2013.

Исходя из выше изложенного, необходимо отметить, что несимметрия напряжений отрицательно влияет на работу двигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей, выпрямителей и линий электропередач [10–13], вызывая дополнительные потери энергии и создавая проблемы безопасности для энергосистемы.

Вопрос решения научно-технической задачи определения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности не решен в связи с отсутствием соответствующего стандарта. Поэтому возникает необходимость в разработки алгоритма по её определению [14], что позволит своевременно обнаруживать данную помеху и вероятность её появления в электрических сетях любого уровня напряжения и тем самым оценивать уровень опасности от данной помехи. Данный алгоритм позволит сделать шаг вперед на пути к подавлению несимметрии напряжений по обратной последовательности, что является актуальным на сегодняшний день.

Литература:

  1. Руди, Д. Ю. Негативное влияние несимметрии и методы их устранения в системе электроснабжения / Д. Ю. Руди, Н. А. Ткачук // В сборнике: Теория и практика современной науки сборник научных трудов по материалам XX Международной научно-практической конференции. 2017. С. 87–91.
  2. ГОСТ 32144–2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электро- снабжения общего назначения. — Взамен ГОСТ 13109–97; введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 20 с.
  3. Руди, Д. Ю. Исследование снижения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности с помощью симметрирующего устройства трансформаторного типа / Д. Ю. Руди, А. И. Антонов, А. А. Руппель, Е. Ю. Руппель // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 103–106.
  4. Антонов, А. И. Исследование зависимости коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности от мощности источника электрической энергии / А. И. Антонов, А. А. Руппель, В. Г. Сальников // В сборнике: Наука молодых — будущее России сборник научных статей международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых: в 3 томах. Юго-Западный государственный университет. 2016. С. 312–316.
  5. Антонов, А. И. Снижение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в системе электроснабжения литейного участка / А. И. Антонов [и др.] // В сборнике: Юность и Знания — Гарантия Успеха — 2015 Сборник научных трудов 2-й Международной научно-практической конференции: В 2-х томах. Ответственный редактор: Горохов А. А.. 2015. С. 309–312.
  6. Антонов, А. И. Определение кондуктивной низкочастотной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности / А. И. Антонов [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2015. № 4. С. 199–203.
  7. Антонов, А. И. Регулирование значений коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности с помощью межфазных переменных сопротивлений / А. И. Антонов, Е. Ю. Зозуля, Д. Ю. Руди // В сборнике: Инновационные технологии в науке и образовании сборник статей победителей IV Международной научно-практической конференции: в 3 ч.. 2017. С. 94–101.
  8. Антонов, А. И. К вопросу изменения значений коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности при различных значениях межфазных сопротивлений / А. И. Антонов [и др.] // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 77–81.
  9. Антонов А. И. Исследование зависимости коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности от мощности силового трансформатора / А. И. Антонов, Е. Ю. Зозуля, Д. Ю. Руди // В сборнике: WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS сборник статей победителей VI Международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2016. С. 80–85.
  10. Романова В. В., Хромов С. В. Определение вероятности возникновения несимметрии напряжений снижающих надёжность асинхронных двигателей / ред. Ю. Ф. Эльзессер; отв. за выпуск Л. А. Павлов // Материалы конф. ГНИИ «Нацразвитие»: сб. избр. ст. Санкт-Петербург: Изд-во ГНИИ, 2017. С. 80–86.
  11. Романова В. В., Дейс Д. А., Хромов С. В. Влияние искажения симметрии питающей сети на режимы работы асинхронного двигателя // Новый взгляд. Международный научный вестник. 2016. № 11. С. 134–142.
  12. Шелехина Л. Ю., Ахтырская А. Ю. Влияние несимметрии токов и напряжений на работу электрооборудования // Россия в XXI веке: факторы и механизмы устойчивого развития: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Наука и Просвещение, 2016. С. 25–28.
  13. Альмиева Д. С., Галеева Р. У. Влияние несимметрии напряжения по обратной последовательности на характеристики высоковольтных асинхронных двигателей // Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: материалы III Pос. молодеж. науч. шк.-конф. Томск: СКАН, 2015. С. 184–188.
  14. А. с. Рос. Федерация, ФГБНУ ИУО РАО, ОФЭРНиО, Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности [Текст] / А. И. Антонов, Ю. М. Денчик, Д. А. Зубанов [и др.]. — № 23380; заявл. 27.12.2017 г.; опубл. хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 12 (103) декабрь 2017–66 С.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос