Дополнительные потери мощности в электрических сетях при несимметричной нагрузке

УДК б21.31б.3 А. в. ДЕД

А. И. ВОЛЫНКИН М. Ю. ДЕНИСЕНКО Н. В. КИРИЧЕНКО Е. С. СУХОВ

Омский государственный технический университет

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ

Обозначена актуальность проблемы улучшения качества электрической энергии. Возникновение несимметрии напряжения в трехфазной системе. Рассмотрены методы определения дополнительных потерь мощности.

Ключевые слова: дополнительные потери мощности, несимметрия напряжений, качество электрической энергии, методы определения потерь мощности.

Статья опубликована при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Эффективность использования электрической энергии определяется созданием условий потребления, при которых обеспечивается требуемое качество электрической энергии и минимум потерь.

Актуальность проблемы улучшения качества и уменьшения потерь электрической энергии особенно возрастает в электрических сетях напряжением до 1 кВ, в связи с тем, что 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, получающим питание по однофазным распределительным сетям.

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 [1].

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 не-симметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. Повышение несимметрии нагрузок приводит к заметным нарушениям симметрии токов и напряжений в трехфазных электрических сетях, особенно распределительных.

Несимметрия напряжений и токов трехфазной системы является одним из важных показателей качества электрической энергии, характеризующих режим электропотребления. Работа систем электроснабжения промышленных предприятий в условиях несимметрии токов и напряжении вызывает экономический ущерб, составной частью которого является увеличение потерь активной мощности и потребление активной и реактивной мощностей [2].

Таким образом, методы расчета дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии, обусловленных несимметрией представляют особый интерес, так как дополнительные потери активной мощности должны входить в общий баланс предприятия независимо от причин их возникновения.

Большой вклад в разработку методов расчёта и способов снижения потерь внесли учёные-электроэнергетики: Рожавский С. М., Шидловский А. К., Милях А. Н., Кузнецов В. Г., Жежеленко И. В., Ко-соухов Ф. Д., Пястолов А. А., Ерошенко Г. П., Бородин И. Ф., Сердешнов А. П., Кисель О. Б., Ворот-ницкий В. Э., Железко Ю. С., Мельников Н. А., Наумов И. В., Попов Н. М. и другие.

Наибольшее распространение получили методы определения потерь по методу с использованием коэффициентов симметричных составляющих и метод, предложенный Железко Ю. С.

Как известно, любую несимметричную систему (напряжение, ток) можно представить в виде суммы трех симметричных. Таким образом, выражение для вычисления дополнительных потерь с использованием методов симметричных составляющих будет иметь вид [3]:

А^нес = АР(1 + £& +*о/(1 + 3— (11

гф

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

где АРнес — потери с учетом несимметрии токов; АР — потери вызванные прямой последовательностью; к =1/1 — модуль коэффициента несимметрии по обратной последовательности; к01=10/11 — модуль коэффициента несимметрии по нулевой по-

+ АР2 + АР0 + АР0 .

2случ 0ср Ослуч

следовательности; г№ г.

сопротивление нейтраль-

ного и фазного провода соответственно.

Согласно методу, предложенному Железко Ю. С., потери с учетом несимметрии токов можно определить по следующему выражению [4]:

ЛР„ес=АР-

37,

ср

1Ф

1ф

где 1А, 1В, 1С — токи в каждой фазе; I — среднее значение фазных токов; гм, гф — сопротивление нейтрального и фазного провода соответственно.

Потери мощности минимальны в симметричных режимах работы. Несимметрия и неравномерность нагрузки приводят к увеличению потерь. Поскольку характер нагрузки может быть не только симметричным и неизменным, но может иметь также режим неизменной во времени несимметричной нагрузки; изменяющейся во времени симметричной нагрузки; симметричный режим переменной нагрузки [4]. При сравнении этих потерь с потерями в нормальном режиме, можно оценить влияние различных факторов. Для данного анализа требуется закономерности изменения симметричных составляющих токов и эквивалент таких потерь мощности, которые дадут одинаковые значения потерь.

Таким образом, потери мощности при неизменной во времени симметричной нагрузке могут быть определены по среднему значению тока прямой последовательности или его ортогональных составляющих:

АР.. = 3Р, г =3Р,Л

1Аср 1ср ф 1Аср'' & т 1ср ф' ' '

где дф1ср = 11Рср/11Аср — коэффициент реактивной мощности, определенный по средним значениям реактивной и активной ортогональных составляющих тока прямой последовательности; АР =3.р1 г, — минимально необходимые потери для передачи по данному участку сети определенного количества энергии при tgф 1 ср = 0;

Потери мощности при систематической несим-метрии нагрузки представляют собой сумму потерь от протекания средних значений токов всех симметричных составляющих или определения их по методу с использованием симметричных составляющих [4].

Величину потерь мощности в симметричном режиме при изменяющейся во времени нагрузке можно определить по среднеквадратическим ортогональным составляющих тока прямой последовательности:

1 г х т

Мск = — 11мгфЫ + — 11р1Тф(И ,

*- П Г\

Как показывает практика, среди суммарных дополнительных потерь наибольшее значение имеют потери от токов нулевой последовательности [4, 5].

Несмотря на значительное число работ по данной тематике, методы построения эффективных алгоритмов применительно к расчету несимметричных режимов работы СЭС и их практическая реализация не получили должного развития.

Схемы электроустановок зданий и сооружений, предприятий, офисных, медицинских и вычислительных центров характеризуются разветвленной структурой промышленной сети, большой долей и мощностью нелинейной и однофазной нагрузок.

Для решения этих задач наиболее эффективным и удобным является метод математического и физического моделирования, который дает возможность с высокой точностью исследовать широкий круг задач.

Таким образом, разработка методики расчета несимметричных режимов в системах электроснабжения напряжением до 1 кВ, программ оценки экономического ущерба, обусловленного воздействием несимметрии, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в электрических сетях до 1кВ является важной задачей в электроэнергетики.

Библиографический список

1. Шидловский, А. К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А. К Шидловский, В. Г. Кузнецов. — Киев : Наукова думка, 1985. — 268 с.

2. Управление качеством электроэнергии / И. И. Карташев [и др.]. - М. : Изд-во МЭИ, 2006. - 319 с.

3. 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.

4. Коваленко, П. В. Анализ потерь мощности в электрических сетях при неравномерной и несимметричной нагрузке. / П. В. Коваленко, О. А. Смышляева // Электрика - 2009. -№ 9. - С. 18-22.

5. Наумов, И. В. Экспериментальное исследование показателей несимметрии при несимметричной системе напряжений источника питания / И. В. Наумов, Д. А. Иванов // Успехи современного естествознания. - 2006. - № 11. - С. 64-65.

где Р^Аср, Ррр — средние значения активной и реактивной мощностей.

Потери мощности в несимметричном режиме при случайном изменении нагрузки определяют по аналогии с потерями в симметричном режиме, но — по среднеквадратичным значениям ортогональных составляющих токов обратной и нулевой последовательности:

ХАР = АР. + АР. + АР2 +

ср 1ср 1случ 2ср

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

ВОЛЫНКИН Антон Игоревич, магистрант группы Эс-512 кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ДЕНИСЕНКО Мария Юрьевна, магистрант группы Эс-512 кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

СУХОВ Егор Сергеевич, магистрант группы Эс-512 кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

КИРИЧЕНКО Николай Васильевич, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

Адрес для переписки: ded_av@mail.ru

Статья поступила в редакцию 07.11.2012 г.

© А. В. Дед, А. И. Волынкин, М. Ю. Денисенко,

Е. С. Сухов, Н. В. Кириченко