Способы коррекции уровней напряжения и несимметрии напряжений в сетях 0,4 кВ

УДК 621.316

Доктор техн. наук Г.Н. САМАРИН

СПОСОБЫ КОРРЕКЦИИ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ И НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ 0,4 кВ

Для снижения несимметрии напряжений в сетях напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью разработаны разнообразные способы и технические средства, различающиеся по сложности, стоимости, экономичности, эффективности, принципу действия и доступности для тех или иных категорий потребителей. Все они по пути реализации условно подразделяются на технические и организационные, хотя ряд из них могут реализовываться одновременно как одним, так и другим путем [1].

Цель исследования - решение проблемы несимметрии напряжений в сельских электрических сетях напряжением 0,4 кВ; выявление причин появления несимметрии напряжений и последствий от ее наличия в сети для трехфазных и однофазных потребителей.

Материалы, методы и объекты исследования. Предложен способ решения данной проблемы путем разработки устройства симметрирования напряжений.

На рис. 1 представлена классификация способов улучшения качества электрической энергии по уровню несимметрии напряжений.

Как видно из рис. 1, снижение уровня несимметрии напряжений в сетях 0,4 кВ может быть реализовано следующими способами: применением замкнутых схем распределительных сетей 0,4 кВ; перераспределением (равномерным распределением) нагрузок по фазам сети; снижением сопротивления нулевой последовательности сети; устранением составляющих нулевой и обратной последовательностей трехфазного напряжения сети.

Рис. 1. Классификация способов снижения несимметрии напряжений

При проектировании трехфазных четырехпроводных электрических сетей стараются имеющихся однофазных потребителей с учетом их мощности распределять по фазам как можно более равномерно, чтобы достичь симметрии токов. Аналогично поступают и при вводе новых потребителей в существующую сеть [2].

Однако нагрузка, создаваемая каждым однофазным потребителем, является переменной величиной, зависящей от времени суток и сезона и часто имеющей тенденцию к росту из года в год (особенно в случае индивидуальных жилых домов), из-за чего в процессе эксплуатации может возникать так называемая вероятностная несимметрия напряжений.

За длительный промежуток времени с большой вероятностью изначально симметричная система нагрузок сети превратится в устойчиво несимметричную систему. В то же время в течение сезона характер распределения токов по фазам может быть относительно стабилен. Соответственно, по результатам измерений токов в фазах линии во время максимальных нагрузок можно периодически, но не реже, чем раз в полгода, перераспределять нагрузки по фазам для обеспечения большей равномерности, обеспечивая тем самым уменьшение несимметрии токов и напряжений.

Очевидным недостатком способа снижения уровня несимметрии напряжений за счет периодического перераспределения нагрузок по фазам в ручном или автоматическом режиме является то, что в силу переменного характера нагрузки, полученный в итоге проведенных операций, результат не остается стабильным, особенно в масштабе малых периодов наблюдения (в переделах нескольких часов). Кроме того, эффективность данного способа очень сильно зависит от выбранной методики и порядка измерений.

В результате научных исследований [3] установлено, что использование полностью или частично замкнутых схем в электрических сетях (например, линии с двухсторонним питанием) дает возможность улучшить их режим работы, что выражается в уменьшении потерь мощности и напряжения, снижении уровня несимметрии напряжений в сети. Последнее в таких сетях происходит потому, что нагрузки отдельных фаз выравниваются. Исследования показали, что в режиме соединения двух линий сети величина математического ожидания напряжения нулевой или обратной последовательности на 33% меньше максимально наблюдаемой в несоединенных радиальных линиях.

Недостатком описанного способа можно назвать то, что реализация его довольно сложна и затруднительна в сельских с коммунально-бытовой нагрузкой распределительных сетях, которые характеризуются большой протяженностью, наличием множества ответвлений и неполнофазных участков, и требует часто немалых капитальных вложений. Кроме того, в замкнутых схемах усложняется выполнение систем защит линий сети от токов короткого замыкания, так как требуются специальные меры и технические средства.

В сельских распределительных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением 0,4 кВ значение сопротивления нулевой последовательности в 10-15 раз больше значения сопротивления прямой последовательности, отчего составляющая фазных напряжений нулевой последовательности будет иметь значительную величину даже при довольно небольших значениях тока нулевой последовательности 1о, создавая большую несимметрию фазных напряжений. Отсюда следует тот факт, что симметрирование напряжений на вводах потребителей можно осуществить, если снизить величину напряжения нулевой последовательности Йо посредством снижения величины сопротивления нулевой последовательности 2о сети. Это хорошо иллюстрируется следующим выражением [4, 5]:

Йо = 1о-2о.

Комплексное сопротивление нулевой последовательности сети равно сумме аналогичных сопротивлений линии электропередачи 2ло и силового питающего трансформатора на подстанции 10/0,4 кВ 2то, что определяет возможные способы снижения величины сопротивления нулевой последовательности сети.

Наиболее просто можно добиться снижения общего сопротивления ¿о за счет снижения 2то,. Дело в том, что в сельских электрических сетях на трансформаторных подстанциях (ТП) напряжением 10/0,4 кВ на данный момент повсеместно распространены

силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Y0 («звезда-звезда с нулем»), обладающие наибольшим среди существующих трансформаторов с иными схемами соединения обмоток значением сопротивления нулевой последовательности. В трансформаторах Y/Y0 магнитные потоки от токов нулевой последовательности, ничем не компенсированные, пронизывают стальной бак, вызывая его нагрев, и в силу закона электромагнитной индукции от данных потоков возникает в обмотках ЭДС, направленная против токов нулевой последовательности, что и определяет повышенное сопротивление нулевой последовательности таких трансформаторов. Значительно лучше обстоит ситуация со значением Zt0 у силовых трансформаторов со схемами соединения обмоток A/Y0 («треугольник-звезда с нулем»), Y/Z0 («звезда-зигзаг с нулем») и особенно у трансформаторов марки ТМГСУ (силовые трансформаторы с симметрирующим устройством). В случае, например, трансформаторов Y/Z0 сопротивление Zt0, в 9-11 раз меньше, чем у трансформаторов Y/Y0 [5].

В трансформаторах со схемой соединения обмоток A/Y0 нагрузочные составляющие токов первичных обмоток от токов нулевой последовательности вторичных обмоток циркулируют по контуру схемы «треугольник» и имеют такое направление, что их магнитное поле направлено против магнитного поля токов нулевой последовательности вторичных обмоток, из-за чего также уменьшается величина сопротивления нулевой последовательности, вносимая данными трансформаторами в общее сопротивление сети Z0.

Соответственно, заменяя на ТП 10/0,4 кВ имеющиеся трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Y0 на трансформаторы со схемами соединения обмоток Y/Z0, A/Y0 или на ТМГСУ, можно снизить сопротивление нулевой последовательности сети. Однако здесь следует отметить ряд важных аспектов.

Во-первых, с точки зрения экономической целесообразности имеет смысл использовать трансформаторы со схемой Y/Z0 в реконструируемых и вновь сооружаемых электрических сетях. В действующих же сетях замена трансформаторов Y/Y0 на трансформаторы Y/Z0 сопряжена с необоснованно значительными затратами. То же самое можно сказать и о ТМГСУ. Кроме того, на изготовление обмоток трансформаторов со схемой Y/Z0 расходуется на 15% выше цветного металла.

Во-вторых, внедрение ТМГСУ и трансформаторов Y/Z0 для снижения сопротивления нулевой последовательности сети является, по сути, модернизацией питающей подстанции 10/0,4 кВ, и такое техническое решение проблемы, естественно, доступно только для энергоснабжающей организации и не доступно обычному частному потребителю в индивидуальном порядке.

В-третьих, по данным ряда исследований, снижение сопротивления нулевой последовательности сети Z0 за счет уменьшения сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора Zt0 часто не дает сколько-нибудь значимого результата ввиду довольно большого значения сопротивления нулевой последовательности линии электропередачи Zлo, которое обычно сопоставимо с Zt0 силового трансформатора со схемой обмоток Y/Y0, а иногда в случае протяженных и выполненных проводом небольшого сечения линий в несколько раз его превышает. Поэтому даже после внедрения новых трансформаторов величина несимметрии фазных напряжений особенно в конце линии может остаться значительной и превышать нормируемый ГОСТ 32144-2013 уровень [3].

Наконец, ни трансформаторы со схемами соединения обмоток Y/Z 0 и A/Y0, ни ТМГСУ не защищают потребителей электроэнергии (особенно с однофазным вводом) от опасных последствий обрыва на линии электропередачи нулевого провода, которые заключаются в том, что на менее загруженной мощностью фазе возникает перенапряжение.

Существует также ряд технических решений, позволяющих снижать сопротивление нулевой последовательности сети в целом, а не путем воздействия на отдельные его конкретные составляющие, такие как Zt0 и Zлo.

Так, в разрыв нулевого провода линии электропередачи для снижения общего сопротивления нулевой последовательности сети 2о можно включить первичную обмотку специального трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к конденсаторной батарее (рис. 2). При использовании такой схемы по первичной обмотке трансформатора будет протекать ток активно-емкостного характера, что позволяет подбором соответствующей величины емкости батареи конденсаторов скомпенсировать реактивную индуктивную составляющую полного сопротивления 2о, в которую, в свою очередь, входят аналогичные составляющие от силового трансформатора и ЛЭП.

С

N0 о^'

Рис. 2. Трансформатор с конденсатором во вторичной обмотке

Однако здесь следует отметить два важных момента. Во-первых, активная составляющая сопротивления нулевой последовательности сети, значительно превышающая реактивную составляющую, в случае протяженных сельских сетей, имеющих коммунально-бытовую нагрузку, при таком способе никак не компенсируется. Во-вторых, в случае разрыва в цепи вторичной обмотки, вызванного повреждением конденсаторной батареи или нарушением целостности контактных соединений и проводов, первичная обмотка силового трансформатора внесет существенное дополнительное реактивное индуктивное сопротивление в общее сопротивление нулевой последовательности сети, что, наоборот, усугубит ситуацию с уровнем несимметрии напряжений, что по нормам правил технической эксплуатации (ПТЭ) сети не допускается [3].

Сопротивление 2о сети можно также снизить посредством подключения параллельно трехфазному потребителю электроэнергии в начале или конце линии электропередачи шунто-симметрирующего устройства (ШСУ), которое имеет довольно малое значение сопротивления нулевой последовательности и за счет этого замыкает через себя (шунтирует) токи нулевой последовательности, практически не пропуская их в линию и силовой питающий трансформатор, что делает напряжение нулевой последовательности на нагрузке минимальным и определяющимся в основном сопротивлением нулевой последовательности ШСУ. Подобные устройства могут выполняться на электромагнитном принципе с использованием дросселей специальной конструкции и на резонансном принципе с использованием индуктивных и емкостных элементов, соединенных по особым схемам.

Электромагнитное шунто-симметрирующее устройство представляет собой трехфазный дроссель, выполненный на трехстержневом магнитопроводе из электротехнической стали, на каждом стержне которого размещается по две обмотки с одинаковым числом витков. Обмотки данного дросселя включены по схеме «встречный зигзаг» (рис. 3), благодаря чему для токов прямой последовательности они оказывают значительное индуктивное сопротивление, в то время как для токов нулевой последовательности индуктивное сопротивление этих обмоток равно нулю и действует только их малое активное сопротивление, что обеспечивает в целом низкое сопротивление нулевой последовательности электромагнитного ШСУ [3].

\У

\У

Рис. 3. Электромагнитное ШСУ

Нулевое индуктивное сопротивление для токов нулевой последовательности объясняется тем, что при использовании схемы соединения обмоток «встречный зигзаг» токи нулевой последовательности в обмотках, расположенных на одном стержне, протекают в противоположных направлениях, создавая встречно направленные магнитные потоки, которые взаимно вычитаются и дают общий магнитный поток нулевой последовательности равный нулю. Последнее обстоятельство обеспечивает равенство нулю определяемой токами нулевой последовательности ЭДС самоиндукции, являющейся причиной индуктивного сопротивления обмоток. Важным недостатком электромагнитного ШСУ является то, что оно снижает коэффициент мощности сети, так как данное ШСУ, будучи для линии электропередачи индуктивной нагрузкой, потребляет реактивный ток прямой последовательности. Кроме того, в таких ШСУ имеют место потери электроэнергии на нагрев обмоток протекающими по ним токами.

Рис. 4. Резонансные ШСУ

Резонансные шунто-симметрирующие устройства подразделяют на конденсаторные и индуктивные. Конденсаторные ШСУ (рис. 4, а) содержат три конденсатора, соединенных в схему «звезда», нулевая точка которой подключена к нейтральному проводу через катушку

индуктивности. Индуктивные ШСУ (рис. 4, б) содержат три катушки индуктивности, соединенные в схему «звезда», нулевая точка которой подключена к нейтральному проводу через конденсатор [3].

Параметры шунто-симметрирующих устройств не зависят от нагрузки, что является их достоинством по сравнению с другими техническими средствами. Однако надо отметить, что во всех ШСУ имеют место потери электроэнергии, которые, например, в случае конденсаторного ШСУ увеличиваются с ростом несимметрии напряжений. Кроме того, ШСУ любого из типов не способны полностью устранить несимметрию напряжений и на результат их работы оказывают влияние параметры сети и место установки [3].

Результаты исследования. Несимметрия напряжений, которая появляется вследствие относительно высокого значения сопротивления нулевой последовательности сети и значительного отличия величин нагрузок по фазам, что свойственно для сельских электрических сетей, характеризуется наличием в фазных напряжениях составляющих напряжения нулевой последовательности, представляющих собой три одинаковых по модулю и направлению вектора напряжения, прибавленных каждый к соответствующей составляющей прямой последовательности. Таким образом, если выделить эти составляющие и геометрически их вычесть из фазных напряжений несимметричной трехфазной системы, то можно получить симметричную систему напряжений. Получение же техническим путем составляющих напряжения нулевой последовательности базируется на том, что геометрическая сумма фазных напряжений Йа, Йв и Йс несимметричной трехфазной системы равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности Йо:

Йа + Йв + Йс = 3- Йо.

Приведенные утверждения можно проиллюстрировать с помощью векторной диаграммы, представленной на рис. 5.

Несимметричная Разложение на симметричные Получение напряжения система напряжений составляющие нулевой последовательности

Рис. 5. Свойства несимметричной системы напряжений

Вольтодобавочный принцип в системах переменного синусоидального тока как раз и базируется на геометрическом сложении напряжений определенной величины и начальной фазы с корректируемым напряжением для получения заданных характеристик этого напряжения. Реализуется рассматриваемый принцип посредством трансформаторов, вторичные обмотки которых соответствующим образом включаются в разрыв фазных проводов. На рис. 6 представлена принципиальная схема устройства симметрирования напряжений (УСН), защищенного патентом на изобретение ЯИ 2552377 С2 от 18.07.2013 [6].

Рис. 6. Принципиальная схема УСН

Структурно УСН состоит из трех специальных четырехобмоточных однофазных понижающих трансформаторов ТУ\, ТУ2 и ТУЗ, предназначенных каждый для работы с одной фазой. Из четырех их обмоток одна является первичной, остальные три являются вторичными [7].

На каждой из вторичных обмоток трансформаторов ТУ\, ТУ2 и ТУЗ формируются уменьшенные в 3 раза напряжения соответствующих фаз благодаря тому, что коэффициент трансформации ТУ\, ТУ2 и ТУЗ равен трем. Первичные обмотки всех трех трансформаторов соединены между собой в звезду и подключены к трехфазной сети, и при этом нулевая точка соединенных обмоток подключается к нейтральному проводу сети.

Процесс функционирования устройства симметрирования напряжений происходит следующим образом. При идеально симметричной системе напряжений трехфазной сети напряжения, формируемые на вторичных обмотках трансформаторов ТУ\, ТУ2 и ТУЗ, равны между собой по модулю и сдвинуты друг относительно друга на угол в 120°. Их геометрическое сложение дает нулевое значение, и к фазным напряжениям линии электрической сети никакого напряжения не прибавляется. При появлении несимметричного режима, то есть при возникновении составляющих напряжения нулевой последовательности, геометрическая сумма напряжений вторичных обмоток трансформаторов ТУ\, ТУ2 и ТУ3 дает уже ненулевое значение напряжения, которое, будучи равным геометрически напряжению нулевой последовательности сети, вычитается из несимметричных сетевых фазных напряжений и формирует симметричную систему.

Выводы. Снижение несимметрии напряжений путем вольтодобавки можно осуществить посредством устройства симметрирования напряжений, разработке и исследованию которого посвящена данная статья.

Устройство симметрирования напряжений может быть выпущено на широкий диапазон мощностей и применимо как для отдельных индивидуальных трехфазных потребителей (например, жилые дома с трехфазным вводом электроэнергии, административные здания, некоторые процессы или агрегаты на фермах, насосные станции), так и для групп из нескольких однофазных или трехфазных потребителей. В первом случае УСН предполагается включать между электрическим вводом того или иного объекта и сетью, а во втором - в разрыв линии электропередачи, питающей группу рассматриваемых потребителей. Можно выделить следующие достоинства устройства по сравнению с другими техническими средствами: независимость результата функционирования от параметров сети, защита от опасных последствий обрыва нулевого провода, не требуются мероприятия по реконструкции трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ, возможность использования индивидуальным потребителем в частном порядке без согласования с

энергоснабжающей организацией, расширяемость схемного решения до полноценного стабилизатора напряжения без существенных изменений массогабаритных параметров.

Литература

1. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. -М.: Лань, 2010. - 592 с.

2. Лещинская Т.Б., Наумов И.В. Электроснабжение сельского хозяйства. - М.: КолосС, 2008. - 655 с.

3. Косоухов Ф.Д., Наумов И.В. Несимметрия напряжений и токов в сельских распределительных сетях. - Иркутск: ИрГСХА, 2003. - 257 с.

4. Косоухов Ф.Д., Васильев Н.В., Криштопа Н.Ю. Применение трансформатора «Звезда -зигзаг с нулем» для снижения потерь от несимметрии токов в сельских сетях 0,38 кВ // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - № 40. - С. 244-249.

5. Мирошник А.А., Свергун Ю.Ф. Снижение сопротивления нулевой последовательности в четырехпроводных сетях 0,38/0,22 кВ // Энергетика и автоматика. - 2012. - № 2. - С. 1-6.

6. Егоров М.Ю. Новый подход к проблеме стабилизации трехфазного напряжения // Промышленная энергетика. - 2017. - № 3. - С. 46-50.

7. Егоров М.Ю., Самарин Г.Н., Криштопа Н.Ю. Техническое решение несимметрии напряжений // Сельский механизатор. - 2015. - № 5. - С. 28-29.

Literatura

1. Atabekov G.I. Theoretical bases of electrical engineering. Linear electrical circuits. - M.: Lan, 2010. - 592 p.

2. Leshchinskaya T.B., Naumov I.V. Electricity supply of agriculture. - M.: Colossus, 2008. - 655 p.

3. Kosoyukhov F.D., Naumov I.V. Unbalance of voltages and currents in rural distribution networks. - Irkutsk: IrGSKhA, 2003. - 257 p.

4. Kosouhov F.D., Vasilyev N.V., Krishtop N.Yu. Application of the Zvezda-Zigzag Zero Transformer to reduce losses from unbalanced currents in rural 0.38 kV networks // News of the St. Petersburg State Agrarian University. - 2015. - No. 40. - P. 244-249.

5. Miroshnik A.A., Svergun Yu.F. Decrease in zero-sequence resistance in four-wire networks 0.38 / 0.22 kV // Power engineering and automation. - 2012. - № 2. - P. 1-6.

6. Egorov M.Yu. A New Approach to the Problem of Stabilization of Three-Phase Voltage // Industrial Power Engineering. - 2017. - No. 3. - P. 46-50.

7. Egorov M.Yu., Samarin G.N., Krishtop N.Yu. Technical solution of voltage asymmetry // Rural mechanizer. - 2015. - No. 5. - P. 28-29.

УДК 631.153.4

Доктор техн. наук А.М. ВАЛГЕ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ КОРМОВ МОЛОЧНОГО СТАДА КРС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛЮЩЕНОГО ЗЕРНА

Повышение энергетической и протеиновой питательности кормов, увеличение производства собственных кормов до объемов, удовлетворяющих молочное животноводство, - главные задачи кормопроизводства сельскохозяйственного производства молочного направления.