Методики расчёта оптимальных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник в сети 0,38 кВ

УДК 621.316.172.016.4.012.7

Методики расчёта оптимальных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник в сети 0,38 кВ

О. В. Кобзистый,

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия,

кандидат технических наук, доцент

К. М. Юндин,

ОАО «МРСК Юга», главный специалист отдела энергосбережения и повышения энергоэффективности, кандидат технических наук

М. А. Юндин,

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия,

кандидат технических наук, доцент

В. В. Головинов,

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, кандидат технических наук, доцент

Е. Г. Полтева,

ОАО «Оборонэнерго», инженер отдела по технологическим присоединениям филиала «Южный»

Применение электромагнитного компенсатора высших гармоник тока позволяет уменьшить третью гармоническую составляющую в токе нейтрали сети. В статье расчётным путём выведены формулы для определения оптимальных параметров элементов электромагнитного компенсатора за счёт изменения числа витков со стороны вторичной цепи, изменения сопротивления в цепи электромагнитного компенсатора и изменения магнитного сопротивления трансреактора.

Ключевые слова: электромагнитный компенсатор, высшие гармоники, трансреактор, сопротивление вторичной цепи, магнитное сопротивление.

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, представляют серьёзные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие подразумевают токи с частотами, кратными основной частоте источника питания; высшие гармоники, накладываемые на основную, приводят к искажению формы тока. В свою очередь, искажения тока влияют на форму напряжения в системе электроснабжения, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки электрической сети [1]. Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармоник в электросети приводит к перегреву установленного оборудования, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных аппаратов и завышению требуемой мощности силовых трансформаторов. В связи с этим вопрос компенсации высших гармоник в электрической сети 0,38 кВ весьма актуален.

Применение электромагнитного компенсатора высших гармоник тока [2] позволяет уменьшить третью гармоническую составляющую в токе нейтрали сети. Для наиболее эффектив-

ной компенсации следует рассчитывать параметры всех элементов устройства. Для этого составляется схема замещения трёхфазной четырёхпроводной сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема замещения трёхфазной сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока

Считается, что в спектре напряжения смещения нейтрали преобладают первая и третья гармоники, а в спектре напряжения на выходе выпрямителя -постоянная составляющая и третья гармоника напряжения [3, 4]. Тогда однофазная схема замещения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока может быть представлена как рис. 2.

Рис. 2. Однофазная схема замещения электромагнитного компенсатора

Для данной схемы справедливы следующие соотношения:

у

(к) сЬ т ^¡Г

Здесь

у

, ~ токоограничивающее сопротивление фазосдвигающего элемента, Ом;

- эквивалентное сопротивление выпрямителя, Ом.

Фазные проводимости сети определены как

гДе £ (к) - сопротивление линии, Ом;

а[к\ ИнЬ(к\ 2у1сук) - сопротивление нагрузки, Ом. Эквивалентное сопротивление :

^Э =

1

Уа^+УЬ^ + Ус^'

Для расчётов токов в схеме компенсатора используется метод наложения (при работе трансреактора на рабочем прямолинейном участке кривой намагничивания).

1. Рассчитывается постоянная составляющая в цепи компенсатора со стороны вторичной обмотки:

,7

,(0) _ иXX 11 —

где К2 ~~ суммарное активное сопротивление со стороны обмотки Ом;

,

Ухх ~ напряжение на выходе трёхфазного однопо-лупериодного выпрямителя.

2. Рассчитываются токи первой гармоники. В этом случае схема замещения примет вид, представленный на рис. 3.

~м' ык)+Ык)+Ус{к)

где ~ напряжение смещения нейтрали, В;

Ца; \ ЦЬ{ \ Цс^ ^ -фазные напряжения источника питания, В;

Уа" \ УЪ^ \ Ус; ^ - фазные проводимости сети, См;

к - порядковый номер гармоники;

- сопротивление нулевого провода сети, Ом;

и ^ ~ сопротивления первичной и вторичной обмоток трансреактора, Ом;

Рис. 3. Схема замещения электромагнитного компенсатора для первой гармоники

Для этой схемы замещения система уравнений электромагнитного равновесия будет выглядеть следующим образом:

где Фом - амплитуда основного магнитного потока, Вб;

- комплексное магнитное сопротивление, 1/Гн.

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru

№ 4 (58)2014, июль-август

7 - 1 _ Аф

^-м ~ ' е ~ Рг ' „ >

Решение данной системы уравнений выглядит следующим образом:

где Lср - длина средней силовой линии магнитопро-вода, м;

£ - площадь поперечного сечения магнитопро-вода, м2;

^0 = 4п -10-7 - магнитная постоянная, Гн/м;

^ - относительная комплексная магнитная проницаемость;

р2 - комплексное полное удельное магнитное сопротивление, м/Гн.

/

12(0 [ш!  2[|3) - 1У2  ) + л/2у •

• £12 ' м

Решением данной системы уравнений будет являться:

/,(1)=-

2 • (Ж22 •«, • ^ - г,2 • со • )+л/2 • у • ^ • г™ • г«

/а) 11 —

2-и[1)-(я-Ж-IV-

2

О) '

ИЗ) _ /(3) /'(3) —1 - Ц + 11 >

/(3) „ „ .

где ¿1 к ~ компенсируемым ток третьей гармоники, А;

КЗ)

7^' ^

—N - сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда общая система уравнений принимает вид:

Действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках:

и =

2 • (1У2 -со-КР-Щ2 со-^1)) + 72

3. Рассчитываются токи третьей гармоники. Схема замещения показана на рис. 4.

При проектировании электромагнитного компен-

сатора следует минимизировать ток (ток в

нейтрали сети). Анализ полученных решений показывает, что добиться этого можно следующими путями: изменением числа витков со стороны вторичной цепи Ж 2, изменением сопротивления в цепи электромагнитного компенсатора Ъ2 и, наконец, изменением магнитного сопротивления _м трансреактора:

Рис. 4. Схема замещения электромагнитного компенсатора для третьей гармоники с двумя источниками ЭДС

Поскольку в схеме два источника питания, то первичные и вторичные токи для третьих гармоник представляются в виде

Из перечисленных путей наиболее технологичными будут изменение сопротивления во вторичной цепи компенсатора по величине и фазе и изменение числа витков во вторичной обмотке. А при использовании современных средств вычислительной техники не представляет труда определить вышеназванные параметры компенсатора для эффективного подавления токов частоты 150 Гц в нейтрали сети 0,38 кВ с преобладающими нелинейными нагрузками.

В целом, применение электромагнитного компенсатора высших гармоник тока показывает заметное снижение эксплуатационных затрат при сроке окупаемости капиталовложений менее 1 года.

Литература

1. Лещинская Т. Б., Наумов И. В. Электроснабжение сельского хозяйства. - М.: Колосс, 2008. - 189 с.

2. Патент RU № 2346370, МПК H02J 3/01. Электромагнитный компенсатор третьей гармоники электрической сети / Юндин М. А, Нехаев С. В., Юндин К. М. Опубл. 10.02.2009. Бюл. № 4.

3. Юндин М. А., Нехаев С. В. Результаты анализа работы компенсатора третьей гармоники в сетях 0,38 кВ / Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: Сборник научных трудов. - Ставрополь, 2009. - С. 3-6.

4. Юндин М. А., Нехаев С. В. О вкладе бытовых потребителей в форму кривой напряжения системы электроснабжения / Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов. - Ставрополь: АГРУС, 2007. - С. 83-85.

Calculation methods for optimal parameters of high-order harmonics electromagnetic compensation coil in 0,38 kV power grid

O. V. Kobzisty,

Azov-Black Sea State Agro Engineering Academy, PhD, associate professor

K. M. Yundin,

Interregional Distribution Grid company of the South, Department of Energy saving and Energy efficiency, leading specialist, PhD

M. A. Yundin,

Azov-Black Sea State Agro Engineering Academy, PhD, associate professor

V. V. Golovinov,

Azov-Black Sea State Agro Engineering Academy, PhD, associate professor

E. G. Polteva,

Oboronenergo, Technological connection department of the Yuzhny branch, engineer

Current harmonics caused by non-linear load is a significant issue for power supply systems. Electromagnetic compensation coils help reduce third harmonic distortion in neutral current. The authors give equations for optimal electromagnetic compensation coil's parameters determined after secondary circuit loops changing, electromagnetic compensation coil circuit resistance changing, and transductor's magnetic resistance changing.

Keywords: electromagnetic compensation coil, high-order harmonics, transductor, secondary circuit resistance, magnetic resistance.

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru

№ 4 (58)2014, июль-август