Определение потерь мощности в распределительных сетях с учетом влияния несимметричной нагрузки

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ

Рассмотрено влияние несимметричной нагрузки на системы электроснабжения. Разобраны дополнительные потери мощности в возникающие в элементах системы электроснабжения при несимметрии токов и напряжений. Представлены результаты экспериментального исследования показателей качества электрической энергии в системе электроснабжения, питающей потребителя с несимметричной нагрузкой.

Ключевые слова: режимы энергосистем, несимметричная нагрузка, потери мощности и электроэнергии, качество электроэнергии.

В электрических сетях России распространен такой режим работы, как несимметричный. Это обусловлено распространением в трехфазных системах электроснабжения потребителей электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам можно отнести индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, тяговые нагрузки железных дорог, тяговые подстанции троллейбусов и трамваев, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки, а также потребителей коммунально-бытовой сферы, получающих питание по однофазным распределительным сетям.

Также несимметричные режимы напряжений в системах электроснабжения возникают и при аварийных ситуациях, например, при обрыве одной из фаз, обрыве рабочего нуля или несимметричных коротких замыканиях.

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности, что приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений.

Помимо несимметрии, вызываемой напряжением системы обратной последовательности, может возникать несимметрия от наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности. В результате смещения нейтрали трехфазной системы возникает несимметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений [ 1 ].

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах электроприемников появляется несимметричная система напряжений.

Отклонения напряжения перегруженной фазы могут превысить допустимые значения, в то время как отклонения напряжения других фаз будут находиться в нормируемых пределах. Кроме ухудшения режима напряжения при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих потребителей электроэнергии, так и всех элементов сети, снижается надежность работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом.

При наличии токов обратной и нулевой последовательности увеличиваются суммарные токи в отдельных фазах элементов сети, что приводит к увеличению потерь активной мощности и может быть недопустимо с точки зрения нагрева.

В ГОСТ 13109-97 несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями [2]:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности

К2о=^И00%;

и10)

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности

Рис. 1. Зависимость коэффициента дополнительных потерь мощности в электрических сетях до 1 кВ от коэффициента неравномерности нагрузки фаз линии:

1) - четырехпроходная с нейтральным проводом и гН1=2гф;

2) - четырехпроходная с нейтральным проводом и гнт= гф;

3) - трехпроводная без нейтрального провода

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (80).

иЗОмскМ

Реї.юмерений Протокол Печать Выход О программе

• » Пуск Стоп Система напряжения | N‘1

О Конфигурация | (ПШ Дейстеуххцие значения ІЇШ1 Гармоники | Е Графики

Щ Графики нагрузки 30 Спектр гармоник X Векторные диаграг^ш ф Фактический оклад

Г Г

Напряжения, В

250

240

230

220

210

-т-

ч-

14:42.02 14:4258 14:44:19 14:45:14 14:46:11 14:47:07 14:48.02 14:48:59 1449.55 14:5001 14:51:49 14:5245 14:53:42

Токи фаз А. В, С. (А); гармоника № П

г 1   і--------------------------------- » I

14:42:02 14:4258 14:44:19 14:45:13 1446:09 14:4706 14:4802 14:48.58 14:49:54 14:5050 14:51:46 14:5241 14:53:38

Рис. 2. Графики напряжений и токов фаз А, В, С

Диаграммы напряжений и толов

ЇЙ Омск М

Реэ.и>нере,*1Й Протокол Печать Выход О програмне

1 » • і Писк Стоп Система напряжене» | № 1 |] Просмотр

Е Конфедерация | ШШ Действі^ошие значения I Ш Гармоники | Е Графики

Е ГраФжи нагрузки | Спектр гармошк X В ектор«>ю диаграммы | ф Фактический вклад

Вектора напряжений

Амлитуда. В Угол между Фазами, град

Фаза А 327.В7 Фаза В 329.25 Фаза С 327.34

А-В 118.99

ВС 120.33

С-А 120.68

Вектора токов (1 ая гармонша |

Амлитуда. А Фаза А 457.22 Фаза В 590.51 Фаза С 604.88

17 Показать

Угол между фазами, град.

АВ 125^4

вс 133.35

С-А 101.41

Рис. 3. Векторная диаграмма напряжений и токов фаз А, В, С

К0 и -

Тзи,

0

и,

100%,

ті

где из(11 и иот — действующие значения напряжения основной частоты обратной и нулевой последовательности; и1(11 — действующее значение напряжение основной частоты прямой последовательности.

Для обеспечении нормативных требований значения коэффициентов К2и и Кои должны составлять 2% в течение 95% суток, и только 5% времени суток эти показатели качества могут достигать максималь-

но допустимые значения — до 4%.

Несимметрия токов и напряжений вызывают дополнительные потери мощности в элементах системы электроснабжения, которые определяются следующим образом [3, 4, 5].

Дополнительные потери мощности в трансформаторах:

Д Рт

дол

и

___?_

к^ном )

ДР +

/

ДР*

|иЗ Омск-М

Роз, измерений Протокол Печать Выход О программе

I * » ] Пцсд-. Стоп I Система напряжения [ № 1 Просмотр

Б) Конфигурация ] Ш Двйстеуощие значения Д Гармоники Е Графики

{§!• Графики нагрузки 1)4 Спектр гармоник X Вектортв диаграммы Ф Фактический вклад

Напряжения, В

250

240

230

220

210

200

WVWV•<ЧЛмъ/^*^/wЛ1^Гw/їvЛv>/wv^

V *4' •»  [і/мРф/^іїу'*’ і^АїМ * V • ЦЛУіИЦі^і •})

1421:37 14:22:42 14:23:28 14:24:15 14:25:00 14:25:46 14:26:33 14:27:18 142805 14:28:51 14:29.49 14:3040 14:31:54

Токи фм А, В, С, |А1 трмоиика № П

14:21:37 14:2241 14:23:26 14:24:11 14:24:56 14:25:43 14:26:26 14:27:13 14:27:58 14:28:45 14:2943 14:30:28 14:31:47

Рис. 4. Графики напряжений и токов фаз А, В, С

щ] Омс к М

Рез. измерений Протокол Печать Выход О программе

I » #

| Пдоп Стгл

Система напряжения | № 1

И

[ІросмотрІ

В Конфигурация I ЕПП! Действующие значения | Ш Гармоники | \4 Графики

Г рафики нагрузки | Ц Спектр гармоник X Вектор**.» диаграммы | ф Фактический вклад

Диаграммы напряжений и токов

Вектора напряжений

Ам/ытапа. В Угол между Фазами, град

Фаза А 319.96 А-В 121.93

Фаза В 328.77 В-С 118.56

Фаза С 331.14 С А 119.50

Вектора токов

Амлигуде.А Угол между Фазаки. град.

Фаза А 593.62 АВ 131.42

Фаза В 628.64 ВС 68.24

Фаза С 508.67 С А 160.34

Р7 Показать

Угол между векторами тока и напряжения, град. Фаза А 43.40 Фаза В 52.89 Фаза С 2.57

Рис. 5. Векторная диаграмма напряжений и токов фаз А, В, С

где ииои и 11ЮМ— номинальные напряжение и ток со стороны высшего напряжения трансформатора, и2и 12 — напряжение и ток обратной последовательности; ДРХ и ДРК — номинальные потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

С учетом того, что 1нои =  , ток обратной после-

ра; гН2 — сопротивление обратной последовательности присоединенной к трансформатору нагрузки.

После преобразований получаем:

-Л.

г£—

довательности 12 = ~т=—2------, где ики'/,к — напряжение

V3

и сопротивление короткого замыкания трансформато-

где кт п =

и,-

и,

— коэффициент, характеризующий

потерю напряжения обратной последовательности в трансформаторе; и2ТИИи иэтш| - напряжения обрат-

*

169

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК »2 (ВО). 2009 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК W2 (80). 2009

нои последовательности соответственно на стороне высшего и низшего напряжений, приведенные к стороне высшего.

Дополнительные потери в относительных единицах можно получить из выражения:

доп

_ ЬРТ доп _ у2

Д Рг

1+

и„

Л Ру

1 + /?2

ДРК Д Pv

где ДРТ — потери в трансфоматоре в симметричном режиме; Р — коэффициент загрузки трансформатора.

В линиях высокого напряжения при неучете токов нулевой последовательности 10= (0,1 + 0,2) 12 дополнительные потери мощности от токов обратной последовательности в относительных единицах равны:

Д Р*

ДРп-

ДР,

— = []= К21

где ДРЛЭП — потери в ЛЭП в симметричном режиме; К21— коэффициент несимметрии тока по обратной последовательности, который может быть определен путем измерений.

В сетях 0,4 кВ с нулевым проводом необходимо учитывать также дополнительные потери от несимметрии по нулевой последовательности. Формула расчета потерь мощности в радиальной сети с учетом несимметричной нагрузи фаз имеет вид:

Д Р/ = ки11з1гз1ка >

где кш — коэффициент, учитывающий количество фаз схемы на участке сети; 1Э| — эффективный ток участка сети; гэ1 — активное сопротивление участка сети; кд, — коэффициент, учитывающий дополнительные потери от неравномерности нагрузки фаз:

этого на выводах установки появляется несимметричная система напряжений, которая приводит к дополнительным потерям мощности и отклонению уровня напряжения, что недопустимо по отношению к качеству электрической энергии, поэтому необходимы меры по снижению несимметрии в электрических сетях.

Снижение несимметрии напряжений может быть достигнуто следующими способами:

— выделением потребителей с несимметричной нагрузкой на отдельные трансформаторы;

— в сетях низкого напряжения перераспределением однофазных нагрузок между фазами;

— применение симметрирующих устройств.

Таким образом, на основании вышеизложенного

можно сделать следующие выводы:

1. Факторы, искажающие качество электроэнергии, оказывают значительное влияние на потери мощности в элементах сети, питающих и соединяющих источники искажений.

2. Помимо потерь в элементах сети (линия — трансформатор), соединенных последовательно с источником искажений, в сетях энергоснабжающей организации и других потребителей, имеющих с источником искажений общую точку присоединения возникают дополнительные потери.

3. Необходимо продолжить работу, направленную на сбор и анализ информации о влиянии несимметричных нагрузок на потери мощности и энергии в элементах питающих их сетей. При этом включая в исследования системообразующие сети, если к ним присоединены несимметричные нагрузки, потери в которых могут быть малы в относительных значениях, но большими в абсолютных величинах.

4. Целесообразно и возможно определять рассматриваемые дополнительные потери с целью анализа и оценки фактической ситуации на основе измерений.

1 + 1,5—1-1.5 —

^=Л/г

где г||Т, гф — сопротивления нейтрального и фазного /2 +/2 +/2

проводов; Л/г = 3—~—-—^ — коэффициент нерав-

номерности; 1А, 1„, 1с, — измеренные токи фаз.

При увеличении коэффициента неравномерности токов фаз потери мощности увеличиваются (рис. 1) [3,4,5].

В результате измерений на соответствие требованиям ГОСТ 13109-97, проведенных на участке распределительной сети 0,4 кВ, были получены временные диаграммы изменения напряжений, токов, мощностей, а также показатели уровня несимметрии напряжений (рис. 2 — 5).

В качестве примера исследовался участок сети 0,4 кВ длиной 175 м, отходящий от трансформаторной подстанции 10/0.4кВ, питающий потребителей с несимметричным (потребитель № 1) и симметричным (потребитель № 2) характером нагрузки. Измерения проводились с помощью ИВК «Омск-М» (в соответствии с требованием стандарта).

В ходе анализа полученных данных, было выявлено, что характер потребления активной и реактивной мощности является резкопеременным. При протекании несимметричных токов нагрузки в системе электроснабжения узлов и агрегатов потребителя № 1, возникают несимметричные падения напряжения. Вследствие

Библиографический список

1. Суднова, В.В Качество электрической энергии / В.В. Суднова. — М. : ЗАО «Энергосервис», 2000. — 80 с.

2. ГОСТ 13109 — 97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М. : Издательство стандартов, 1998. — 32 с.

3. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии (Текст) / И. И. Карташев [и др. - М. : Изд-во МЭИ, 2006. - 319 с.

4. Железко Ю.С. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко, А.В. Артемьев, О.В. Савченко. — М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 280 с.

5. Шидловский, А.К. Оптимизация несимметричных режимов систем электроснабжения (текст) / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов, В.Г. Николаенко. — Киев. : На-ук.думка, 1987. — 176 с.

ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий.

E-mail: didu@inbox.ru

Дата поступления статьи в редакцию: 29.05.2009 г.

© Дед А.В.