Комбинированное компенсирующее устройство на реактивных элементах

621.311

КОМБИНИРОВАННОЕ КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ © 2018 г. О.В. Кобзистый, МЛ Юндин

Одной из основных задач, решаемых электроснабжающей организацией, является повышение эффективности передачи электрической энергии по распределительным сетям низкого напряжения. Наличие в сети реактивного тока, токов обратной и нулевой последовательностей, а также токов высших гармоник приводит к дополнительным потерям энергии и снижению ее пропускной способности. Существует довольно много технических средств, снижающих отрицательное воздействие на сеть неактивных токов. При этом использование комбинированных устройств, сочетающих в себе все виды компенсации, является экономически более целесообразным. В статье предлагаются конструкция и расчет основных параметров комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах, предназначенного для снижения указанных токов и, следовательно, для повышения эффективности передачи электрической энергии. Устройство состоит из компенсационной «звезды» и компенсационного «треугольника», одновременно сочетающих в себе симметрирующее устройство, заграждающий гармонический фильтр и статический компенсатор реактивной мощности. В статье также приведены численные усредненные значения используемых индуктивностей и емкостей, полученные после обработки статистических данных по 31 трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. Полученные значения реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства дают полную возможность их практического применения. Проведенное имитационное моделирование по усредненным параметрам комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах убедительно подтвердили возможность снижения потерь активной мощности (энергии) в элементах электрической сети до 20%. Компенсационную «звезду» предлагается размещать в узле с наибольшей нелинейной и несимметричной нагрузкой. Компенсационный «треугольник» предлагается размещать на головном участке электрической сети.

Ключевые слова: электрическая энергия, реактивная мощность, симметрирование, гармонический фильтр, энергоэффективность.

One of the main tasks solved by the power supplying organization is to increase the efficiency of transmission of electric energy over low-voltage distribution networks. The presence of reactive current in the network, currents of reverse and zero sequences, as well as currents of higher harmonics leads to additional energy losses and a decrease in its throughput. There are quite a few technical means that reduce the negative impact on the network of inactive currents. At the same time, the use of combined devices combining all types of compensation is more economically viable. The article proposes the design and calculation of the basic parameters of the combined compensating device on reactive elements, designed to reduce these currents and, consequently, to improve the efficiency of transmission of electrical energy. The device consists of a compensation «star» and a compensation «triangle», simultaneously combining a balancing device, a blocking harmonic filter and a static compensator of reactive power. In the article it is also presented the numerical averaged values of inductances and capacitances used, obtained after processing statistical data on 31 transformer substations of 10 / 0,4 kV. The obtained values of the reactive elements of the combined compensating device give the full possibility of their practical application. The carried out simulation modeling by the averaged parameters of the combined compensating device on reactive elements convincingly confirmed the possibility of reducing the loss of active power (energy) in the elements of the electrical network to 20%. The compensation «star» is proposed to be placed in the node with the greatest non-linear and asymmetric load. Compensation «triangle» is proposed to be placed on the head section of the electrical network.

Keywords: electrical energy, reactive power, symmetry, harmonic filter, energy efficiency.

Введение. Как известно, одним из факторов, снижающим эффективность передачи электрической энергии, является наличие в трехфазной сети неоднородной нагрузки, накапливающей в процессе работы электромагнитную энергию и имеющей нелинейную вольт-амперную характеристику [1]. Такая нагрузка генерирует реактивный ток, токи обратной и нулевой последовательности, а также токи высших гармоник. Протекание этих токов в электрической сети вызывает дополнительные потери активной мощности (энергии) и снижение ее пропускной способности.

В настоящее время существует довольно много технических средств, снижающих отрицательное воздействие на сеть такой нагрузки. Применяются устройства, компенсирующие реактивную мощность, устройства, симметрирующие токи в сети, и устройства, снижающие высшие гармоники тока и напряжения как по отдельности, так и в комбинации друг с другом [2-5].

На рисунке 1 представлена одна из возможных классификационных таблиц таких устройств. Причем, очевидно, что использование комбинированных уст-

ройств, сочетающих в себе все виды компенсации, является экономически более целесообразным.

Например, в статье [6] предлагается совместить компенсацию реактивной мощности, симметрирование и активную фильтрацию токов нагрузки на базе статического компенсатора на ЮВТ-транзисторах. С другой стороны, в конструкцию компенсаторов реактивной мощности, симметрирующих устройств и пассивных гармонических фильтров, так или иначе входят индуктивности и емкости. Следовательно, для разработки универсального компенсирующего устройства дешевле и надежнее использовать эти реактивные элементы.

Методика исследования. В предлагаемой статье предлагаются конструкция и расчет параметров комбинированного компенсирующего устройства на базе устройства симметрирования токов обратной и нулевой последовательностей и компенсации реактивной мощности, методика проектирования которого подробно описана в [7]. Базовая схема имеет следующий вид (рисунок 2). Проводимости компенсационного «треугольника» рассчитывались по формулам:

2 а] + (ал - аг,)  (}с - а

—АВк ~ .7 '

} НО: — ]

ЖсАк ~ ./

Зл/З (т + Ов + Ос

2 ( ¡1 ( Си - сг) • СА - а;

Эл/з С 4 + Св +

2 с1 + (Сс - (}А) • Ов - Сл

3-\/3 С4 + Ств + Сс

где а ^ . Св и Gc - активные проводимости «звезды» нагрузки, и - реактивные проводимости «звезды» нагрузки.

Рисунок 1 - Классификация технических средств повышения эффективности передачи электрической энергии

Проводимости компенсационной «звезды» рассчитаны по следующим формулам:

( 1 1 (1 ^

1с, =7

1

Л

С К

Если все проводимости компенсационной «звезды» являются положительными, т.е. имеют емкостной характер, то на ее основе можно создать загра-

ждающий фильтр высших гармоник (рисунок 3). Наиболее значимой после первой гармоники является третья гармоника тока нагрузки. Поэтому расчетные формулы для / — А, В, С будут иметь следующий вид:

• индуктивная проводимость;

В1Ж=8'ВЖ £

Щж емкостная проводимость.

При этом Ьх Здесь СО = 314 рад/с.

1

О) В

г - Ва

ы

СО

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная базового компенсирующего устройства

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах

Результаты исследований и их обсуждение. Для определения численных значений симметрирующего устройства на реактивных элементах совместно с магистром P.P. Швек была выполнена статистическая обработка экспериментальных данных о ком-мунально-бытовой нагрузке ТП 10/0,4 кВ, собранных аспирантами кафедры «Электроэнергетика и электротехника» Азово-Черноморского инженерного института [8]. Статистическая обработка выполнена по 31 ТП 10/0,4 кВ, территориально расположенному в Ростовской области и Краснодарском крае. Исследования проводились сертифицированным прибором для измерений электроэнергетических величин и ПКЭ «Энер-гомонитор-З.ЗТ», который подключался на вводе 0,4 кВ силового трансформатора в начале сети. При измерениях были выполнены все требования, предъявляемые к средствам измерения показателей качества электроэнергии [9,10].

Вначале по полученным данным были рассчитаны с часовым усреднением активные и реактивные проводимости фаз нагрузки. Статистический анализ показал, что все они имеют нормальный закон распределения. Далее был выполнен расчет средних значений активных и индуктивных проводимостей фаз нагрузки для двух случаев: в первом случае расчет среднего значения выполнялся полностью для суток с 00:00 до 24:00 часов (таблица 1); во втором случае -среднее значение рассчитывалось для трех характерных периодов времени: с 00:00 до 08:00 часов, с 08:00 до 16:00 часов и с 16:00 до 24:00 часов соответственно. Первый случай соответствует статическому симметрирующему устройству, а второй случай - устройству с трехступенчатой регулировкой. Последующий технико-экономический расчет показал, что эффективнее оказывается статическое симметрирующее устройство. Поэтому приведем расчет параметров именно для такого устройства.

Таблица 1 - Результаты расчета среднего значения комплексных проводимостей нагрузки Уд, Ув и Ус

Период времени Результаты расчета среднего значения

Уа, См Ув, См Ус, См

За сутки (с 00:00 до 24:00 часов) 0,062—j0,032 0,082—j0,039 0,085—j0,042

После определения проводимостей нагрузки был выполнен расчет проводимостей компенсационной «звезды» Удк, Увк и Уск и проводимостей компен-

сационного «треугольника» Удвк, Увск и Усак по приведенным ранее формулам. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Результаты расчета заграждающего фильтра третьей гармоники на базе компенсационной «звезды» сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета заграждающего фильтра третьей гармоники

Таблица 2 - Результаты расчета компенсационных проводимостей

Период времени Результаты значений для компенсационной «звезды» Результаты значений для компенсационного «треугольника»

YAk, См YBk, См Yck, См Yabk, См Ybck, См Ycak, Cm

За сутки (с 00:00 до 24:00 часов) j30,2-103 j52,3-103 j30,4-103 -j7,7  103 -j1,16-Ю-з j8,86-Ю-з

Период времени Емкостные проводимости Индуктивные проводимости

Всдк, См Всвк, См Всск, См В|_лк, См В|_вк, См Bixk, См

За сутки (с 00:00 до 24:00 часов) 26,9-10-з 46,5-10-з 27,07-10-з 0,242 0,418 0,244

Окончательный расчет реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства представлен в таблице 4.

Окончательный расчет реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Значения реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства

Период времени Значения для компенсационной «звезды» Значения для компенсационного «треугольника»

За сутки (с 00:00 до 24:00 часов) Слк=85,6 мкФ Свк=148 мкФ Сск=86,2 мкФ 1-Авк=0,41 Гн Leek =2,74 Гн Ссдк=28,2 мкФ

LAk=13,2 мГн LBk=7,62 мГн Lck=13,05 мГн

Полученные значения реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства дают полную возможность их практического применения. Промышленностью выпускаются недорогие конденсаторы необходимой емкости и катушки необходимой индуктивности.

Вывод. Проведенное имитационное моделирование по усредненным параметрам комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах убедительно подтвердило возможность снижения потерь активной мощности (энергии) в элементах электрической сети до 20%.

Компенсационную «звезду» предлагается размещать в узле с наибольшей нелинейной и несимметричной нагрузкой. Компенсационный «треугольник» предлагается размещать на головном участке электрической сети.

Литература

1. Жежеленко, И.В. Электрические потери от высших гармоник в системах электроснабжения / И.В. Жежеленко II Электрика. - 2010. - № 4. - С. 3-6.

2. Розанов, Ю.К. Гибридные фильтры для снижения несинусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения / Ю.К. Розанов, Р.П. Гринберг II Электротехника. -2006.-№10.-С. 55-60.

3. Simulation and experimental investigations on a shunt active power filter for harmonies and reactive power compensation / Kumar Jaing Shailendra, Agarwal Pramod, Gupta H.O. Il IEEE Techn. Rev. - 2003. 20. - № 6. - P. 481-492.

4. Qiao Chongming. Three-phase bipolar mode active filter / Qiao Chongming, Smedley Keyue Ma II IEEE Trans. Ind. Appl.-2002.-№1.-P. 149-158.

5. El-Saadany E.F. Passive filter design for harmonic reactive power compensation in singl-phase circuits supplying nonlinear loads / E.F. El-Saadany, M.M.A. Salama, A.Y. Chikha-ni II IEEE proc. Generat., Transmiss. and Distrib. - 2000. 147. -№6.-P. 373-380.

6. Ненахов, А.И. Совмещение функций компенсации реактивной мощности, симметрирования и активной фильтрации токов при построении алгоритма управления устройством СтатКом / А.И. Ненахов, С.И. Гамазин II Электричество.-2016. - №8. - С. 46-52.

7. Кобзистый, О.В. Способ компенсации токов обратной и нулевой последовательностей / О.В. Кобзистый, П.И. Клищенко, Д.А. Бажанов II Энергобезопасность и энергосбережение. - 2015. - № 3. - С. 31-33.

8. Кобзистый, О.В. Обоснование параметров устройства для симметрирования тока и напряжения на реактивных элементах в электрических сетях 0,38 кВ / О.В. Кобзистый, P.P. Швек II Вестник магистратуры. - 2017. - № 3-2 (66). -С. 49-52.

9. Карташев И.И. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии / И.И. Карташев, И.С. Пономаренко, В.Н. Ярославский II Электричество. -2000,-№4.-С. 2-14.

10. РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. - М.: Минсельхоз России, 2000.-23 с.

References

1. Zhezhelenko I.V. Elektricheskiye poteri ot vysshikh garmonik v sistemakh elektrosnabzheniya [Electric losses from higher harmonics in power supply systems], Elektrika, 2010, No 4, pp. 3-6.

2. Rozanov Y.K., Grinberg R.P. Gibridnyye fil'try dlya snizheniya nesinusoidal'nosti toka i napryazheniya v sistemakh elektrosnabzheniya [Hybrid filters to reduce non-sinusoidal cur-

rent and voltage in power supply systems], Elektrotekhnika, 2006, No 10, pp. 55-60.

3. Kumar J.S., Agarwal P., Gupta H.O. Simulation and experimental investigations on a shunt active power filter for harmonics and reactive power compensation. IEEE Techn. Rev., 2003.20, No 6, pp. 481-492.

4. Qiao C., Smedley K.M. Three-phase bipolar mode active filter. IEEE Trans. Ind. Appl., 2002, No 1, pp. 149-158.

5. El-Saadany E.F., Salama M.M.A., Chikhani A.Y. Passive filter design for harmonic reactive power compensation in singl-phase circuits supplying nonlinear loads. IEEE proc. Gene-rat., Transmiss. and Distrib., 2000,147, No 6, pp. 373-380.

6. Nenakhov A.I., Gamazin S.I. Sovmeshcheniye funktsiy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti, simmetrirovaniya i aktivnoy fil'tratsii tokov pri postroyenii algoritma upravleniya us-troystvom StatKom [Combining the functions of reactive power compensation, balancing and active filtering of currents when building an algorithm for controlling the StatKom device], Elektri-chestvo, 2016, No 8, pp. 46-52.

7. Kobzisty O.V., Klishchenko P.I., Bazhanov D.A. Spo-sob kompensatsii tokov obratnoy i nulevoy posledovatel'nostey

[Method of compensation for reverse and zero sequence currents], Energobezopasnost' i energosberezheniye, 2015, No 3, pp. 31-33.

8. Kobzisty O.V., Shvek R.R. Obosnovaniye parametrov ustroystva dlya simmetrirovaniya toka i napryazheniya na reak-tivnykh elementakh v elektricheskikh setyakh 0,38 kV [Justification of device parameters for balancing current and voltage on reactive elements in electrical networks of 0,38 kV], Vestnik ma-gistratury, 2017, No 3-2

9. Kartashev 1.1., Ponomarenko I.S., Yaroslavskiy V.N. Trebovaniya k sredstvam izmereniya pokazateley kachestva elektroenergii [Requirements for means of measuring indicators of quality of electric power], Elektrichestvo, 2000, No 4, pp. 2-14.

10. Metodicheskiye ukazaniya po kontrolyu i analizu kachestva elektricheskoy energii v elektricheskikh setyakh ob-shchego naznacheniya [Guidelines for monitoring and analyzing the quality of electrical energy in general-purpose electrical networks]: RD 153-34.0-15.501-00, M., Minsel'khoz Rossii, 2000, 23 p. (In Russian).

Сведения об авторах

Кобзистый Олег Валентинович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). E-mail: ol.kob@mail.ru.

Юндин Михаил Анатольевич - кандидат технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). E-mail: m.a.ju@yandex.ru.

Information about the authors

Kobzistiy Oleg Valentinovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, associate professor of the Electric power and electrical engineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). E-mail: ol.kob@mail.ru.

Yundin Mikhail Anatolievich - Candidate of Technical Sciences, professor of the Electric power and electrical engineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). E-mail: m.a.ju@yandex.ru.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

УДК 631.53.027:633.16:581.142

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЯЧМЕНЯ В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯХ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ МИКРОФЕНОЛОГИЧЕСКИХ ФАЗ ИХ ПРОРАСТАНИЯ

© 2018 г. A.C. Казакова, Т.К. Куриленко

Повышение качества семян сельскохозяйственных культур с помощью электротехнологий, в частности, их предпосевной обработки электромагнитным полем, является экологически «чистым», ресурсо- и энергосберегающим способом повышения урожайности. Однако эффект отзывчивости семян различных культур и даже сортов одной и той же культуры на обработку может существенно разниться. В связи с этим целью исследования явилось изучение механизма увеличения всхожести семян ярового ячменя в результате предпосевной обработки их переменным электромагнитным полем промышленной частоты (ПЭМП ПЧ) на основе регистрации наступления микрофенологических фаз прорастания семян (МФФ ПС) для дальнейшего использования выявленных закономерностей в настройке режимов стимуляции семян в электротехнологиях. Показано, что обработка семян приводит к ускорению прорастания в лабораторных условиях на одни сутки за счет появления фракции быстро прорастающих и исчезновения фракции самых медленно прорастающих семян. Это происходит за счет ускорения наступления каждой очередной МФФ ПС и сокращения их продолжительности. Предпосевная обработка семян ярового ячменя ПЭМП ПЧ сокращает период их набухания на 11-14%, что может быть связано с возрастанием сосущей силы семян, а следующую МФФ ПС - в среднем на 50%. Сделан вывод, что данный экспериментальный подход можно использовать в качестве информативного инструмента для получения нового знания в области стимулирующего влияния обработки семян ПЭМП ПЧ на их всхожесть и дальнейший рост растений, а также для обоснования режимов предпосевной обработки семян ячменя в электротехнологиях.