Экспериментальные исследования резкопеременной нагрузки на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции

УДК 621.311

Экспериментальные исследования резкопеременной нагрузки на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции

А. В. Бессолицын,

ФГБОУ ВПО «ВятГУ», доцент кафедры «Электрические станции», кандидат технических наук

Н. С. Бакшаева,

ФГБОУ ВПО «ВятГУ», доцент кафедры «Электроснабжение», кандидат технических наук

А. В. Вотинцев,

ФГБОУ ВПО «ВятГУ», старший преподаватель кафедры «Электроснабжение» Е. А. Калинина,

ФГБОУ ВПО «ВятГУ», старший преподаватель кафедры «Электроснабжение»

Данная статья посвящена исследованию влияния резкопеременной нагрузки на параметры качества электроэнергии в точке общего присоединения.

Ключевые слова: колебания напряжения, электроприёмник, резкопеременная нагрузка, качество электрической энергии.

Источниками резкопеременных нагрузок в системах электроснабжения являются мощные электроприёмники с резкопеременным графиком потребления мощности. Скачкообразное изменение нагрузки вызывают также включения мощных электродвигателей с большой кратностью пускового тока [1].

При работе потребителей с резкопеременной нагрузкой проявляется снижение качества электроэнергии в виде колебаний и отклонений напряжения, а при малой мощности источников питания - в виде колебаний частоты. При наличии резкопеременных нагрузок наиболее заметное снижение качества электроэнергии проявляется в виде колебаний напряжений. Колебания напряжения возникают в результате быстрого изменения потерь напряжения в элементах сети при резком изменении передаваемых по ним активной и реактивной мощностей. Возникая в какой-либо точке, колебания распространяются по системе, при этом распространение колебаний напряжения к шинам низшего напряжения подстанций происходит практически без затухания, а к шинам высшего напряжения - с затуханием по амплитуде. Появление колебаний напряжения в системах электроснабжения отрицательно сказывается на работе чувствительных к ним электроприёмников и, в первую очередь, на работе установок электрического освещения.

С целью разработки рекомендаций о допустимости совместного питания коммунально-бытовых

погрузочная

площадка ТП-400 к ВА

Рис. 1. Схема электроснабжения лесопильного оборуд ования

потребителей и источников колебаний были выполнены экспериментальные исследования режимов электропотребления резкопеременных нагрузок на шинах 0,4 кВ трансформаторных подстанций. Также была поставлена задача изучить влияние резкопере-менной нагрузки характерных производств и отдельных электроприёмников на параметры качества электроэнергии в различных точках электрической сети.

Исследование режимов электропотребления производилось с использованием переносного анализатора электропотребления ЛИ.5 фирмы С1гси1юг, а также прибором «РЕСУРС иЕ2М». Измерения проводились на шинах с напряжением 0,4 кВ трансформаторной подстанции и на отходящих фидерах [2, 3].

В качестве примера ниже представлены результаты исследований, проводимых при работе лесопильного оборудования.

В качестве объекта исследования была выбрана трансформаторная подстанция с трансформаторами ТМ 400 кВА, приведенная на рис. 1. Измерения проводились в течение суток в точке 1 (шины подстанции) и точке 2 (отходящий фидер № 7). От этого

фидера питается лесопильное оборудование, питание осуществляется кабелем ААВГ 4х16 протяженностью 30 метров. Помимо лесопильного оборудования (приёмники с резкопеременным характером нагрузки) от данной подстанции питаются и другие потребители - жилые дома, хозяйственные постройки (потребители со спокойным характером нагрузки). Кроме того, в перспективе по существующей схеме необходимо будет подключить электроприёмник с резкопеременным характером нагрузки - козловой кран марки ККС-10 мощностью 42 кВт. Кран подключается к фидеру № 7. При этом необходимо обосновать возможность совместного питания дополнительно подключаемого оборудования с коммунально-бытовой нагрузкой, произведя расчёт колебаний напряжения.

На рис. 2, 5 приводятся графики изменения напряжения на вводе (точка 1) и фидере (точка 2), на рис. 3, 6 - графики изменения тока на вводе (точка 1) и фидере (точка 2), на рис. 4, 7 - графики изменения активной и реактивной мощностей на вводе (точка 1) и фидере (точка 2). Результаты измерений приведены в табл. 1-3.

Таблица 1

Результаты измерений активной мощности

Точка измерений Значение активной мощности, кВт

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, ввод 128,27 44,07 73,28

ТП 400 кВА, фидер № 7 11,63 2,94 8,96

Таблица 2

Результаты измерений реактивной мощности

Точка измерений Значение реактивной мощности, квар

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, ввод 31,92 16,73 26,91

ТП 400 кВА, фидер № 7 17,42 5,83 15,19

Таблица 3

Результаты измерений напряжений по фазам

Точка измерений Фаза Значение напряжения, В

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, ввод А 237,18 220,49 230,21

В 235,94 220,10 227,99

С 237,39 220,53 229,71

ТП 400 кВА, фидер № 7 А 237,09 220,32 230,21

В 235,77 219,86 227,82

С 237,32 220,45 229,65

Рис. 2. График изменения напряжения на вводе

I, А £50 £00 150 100

\

на ¿V ? •> 'Ч

> м Е-ф. V % * I % & Г к 'Л •т V

Г N

г

з о о о о о еъ о о с 5 О О О О О О О С С о о с о к с © т- < с с е о о о о о а I о о о о о о 1 4 № Щ N (0 Л а с о с с о о о о с о ^ и п с

с >. ;. , ^ ......: — — — — — — — — . п « я

Рис. 3. График изменения тока на вводе

N [Ч В1 N С

Рис. 5. График изменения напряжения на фидере

I, А

35 30 £5 £0 13 10 5 О

1 1 ь 1

•р— Г"

в

о с о с V- С о с с \ ? р с о о с о о с Ч И К о о с о о г о о с ш о о о с о о о ООО о и 1- I- Т- о о о с о о о с П Т И ( 1 э о зооооооо 50000000 ' аз т о и й о  . « н я и о

Рис. 6. График изменения тока на фидере

Р, О, Вт, вар

120000  100000  аооос  вооос  40000  — р

Г щ пи ч

/ 1 Л

к / г/ ч* > л № ? чг \

Л м, Г 1 Г V V

гоооо * Л

осооосоаоосоооооососс й : § 8 г ! 8 Ё 8 г г : : : : ; ^ • : г а о а о Сч й 8 8 ^

Р, о, ВТ. вар

180ЭЭ - -к

16000 - — -ч. и -

и

юосю - -0

вооо -юею -

4000 - и

£ 8 8 5 8 Р Я 8388! я 8 8 8 8 8 8 8 £ 8

? за? ! 8 ! 55 а 8 - £

Рис. 4. График изменения активной и реактивной мощностей на вводе

Для обоснования возможности совместного питания лесопильного оборудования с коммунально-бытовыми потребителями был произведён расчёт колебаний напряжений, создаваемых при работе резкопеременных нагрузок фидера № 7. Расчёт произведён для точек 1 и 2 (см. рис. 1).

Рис. 7. График изменения активной и реактивной мощностей на фидере

Колебания напряжения характеризуются размахом амплитуды и частотой возникновения колебания. Результаты вычислений колебаний напряжения приводятся в табл. 4. В качестве примера приводится гистограмма размахов изменения напряжения, возникающих при работе лесопильного оборудования для фазы А. Данные для построения гистограммы приводятся в табл. 5.

Таблица 4

Результаты вычислений колебаний напряжения

Точка измерений Значение колебаний напряжения, 8и

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, фидер № 7 (фаза А) 5,856 В 0 В 0,63 В

2,66 % 0 % 0,29 %

ТП 400 кВА, фидер № 7 (фаза В) 5,021 В 0 В 0,59 В

2,28 % 0 % 0,27 %

ТП 400 кВА, фидер № 7 (фаза С) 6,061 В 0 В 0,59 В

2,76 % 0 % 0,27 %

СЭОСЭСЭСЭСЭСЭСЭаСЭСЭСЭСЭСЭСЭСЭОСЭСЭСЭСЭСЭ ООО! ООО ООООО О-Е-ОО ООООО ООО-ОС ООО/

Таблица 5

Данные для построения гистограммы размахов изменения напряжения, возникающих при работе лесопильного оборудования

Интервал, 8и, В зит;п/зитах, % Количество попаданий, щ ni/N Интервал времени между колебаниями М, мин Допустимые значения Зидоп, %

0-0,4 0 0,18 617 0,429 -

0,4-0,9 0,18 0,41 485 0,337 1,751 0,95

0,9-1,4 0,41 0,64 216 0,150 4,270 1,30

1,4-1,9 0,64 0,86 76 0,053 11,893 1,70

1,9-2,4 0,86 1,09 25 0,017 31,978 2,20

2,4-2,9 1,09 1,32 10 0,007 71,950 2,80

2,9-3,4 1,32 1,55 5 0,003 143,900 3,45

3,4-3,9 1,55 1,77 1 0,001 287,800 4,40

>3,9 1,77 >1,77 4 0,003 359,750 4,70

При проведении измерений нормы ГОСТ 13.10997 по размаху изменения напряжения выполняются.

800

600

400

200

г

I

I 1

§ 00,4 0,4-0,9 0,9-1,4 1,4-1,9 1,9-2,4 2,4-2,9 2,9-3,4 3,4-3,9 >3,9

Колебания напряжения, 5Ц, В

Рис. 8. Гистограмма размахов изменения напряжения на фидере № 7, возникающих при работе лесопильного оборудования

Для определения колебаний напряжения, возникающих при подключении нового оборудования (кран ККС-10), а также для обоснования возможности совместного питания дополнительно подключаемого оборудования с коммунально-бытовой нагрузкой созданы расчётная модель работы крана и расчётная модель совместной работы существующего лесопильного оборудования и крана [4]. Результаты расчёта режимов электропотребления представлены на рис. 9 и в табл. 6 - 8.

При помощи расчётной модели были определены уровни напряжения на фидере № 7 при работе нового подключенного оборудования.

Определялась потеря напряжения по формуле

р-г+е-х

\и=-

и

где Р - суммарная активная нагрузка лесопильного оборудования и нового оборудования;

Таблица 6

Результаты расчёта активной мощности

Расчётная точка Значение активной мощности, кВт

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 52,679 4,788 17,72

Таблица 7 Результаты расчёта реактивной мощности

Расчётная точка Значение реактивной мощности, квар

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 55,408 6,217 32,00

Таблица 8

Результаты расчёта напряжений по фазам

Расчётная точка Фаза Значение напряжения, В

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 А 236,62 219,88 229,75

В 234,78 219,05 226,95

С 236,85 220,01 229,19

Результаты вычислений колебаний напряжения приводятся в табл. 9. В качестве примера приводится гистограмма размахов изменения напряжения, возникающих при работе лесопильного оборудования и крана для фазы А (рис. 10). Данные для построения гистограммы приводятся в табл. 10.

Как следует из проведенных расчётов, нормы ГОСТ 13.109-97 по размаху изменения напряжения выполняются.

Был выполнен анализ влияния резкопеременной нагрузки на параметры качества электроэнергии в точке общего присоединения, а также указаны последствия колебаний напряжения в электрической сети. Для определения размаха изменений напряжений в точке общего присоединения коммунально-бытовых потребителей и резкопеременной нагрузки, а также для обоснования возможности совместного питания дополнительно подключаемого оборудования с коммунально-бытовой нагрузкой созданы расчётная модель работы источника колебаний и расчётная модель совместной работы существующего оборудования и источника колебаний.

Таблица 9

Результаты вычислений колебаний напряжения

Расчётная точка Значение колебаний напряжения, Зи, В, %

максимальное минимальное среднее

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 5,84 0,00 0,63

2,66 % 0,00 % 0,29 %

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 4,99 0,001 0,59

2,27 % 0,00 % 0,27 %

ТП 400 кВА, кран ККС-10, фидер № 7 6,05 0,00 0,59

2,75 % 0,00 % 0,27 %

Таблица 10

Данные для построения гистограммы изменения размахов напряжения, возникающих при работе крана ККС-10

Интервал, Зи, В зит;п/зитах, % Количество попаданий, щ ni/N Интервал времени между колебаниями М, мин Допустимые значения идоп, %

0-0,4 0 0,18 618 0,430 -

0,4-0,9 0,18 0,41 484 0,337 1,753 0,92

0,9-1,4 0,41 0,64 217 0,151 4,270 1,25

1,4-1,9 0,64 0,86 77 0,054 11,992 1,70

1,9-2,4 0,86 1,09 23 0,016 33,465 2,25

2,4-2,9 1,09 1,32 10 0,007 71,950 2,70

2,9-3,4 1,32 1,55 5 0,003 143,900 3,40

3,4-3,9 1,55 1,77 1 0,001 287,800 4,45

>3,9 1,77 >1,77 4 0,003 359,750 4,70

р, а. В|. иир

60000

ям»

40000 30000 20 И»

10000

8888888888888888888888828 б-МПЧЙЩ|ч05Йб - «П^ЙЩ^ЮЙО - «то

I

Рис. 9. График изменения активной и реактивной мощностей на фидере

Q - суммарная реактивная нагрузка лесопильного оборудования и нового оборудования. В точке 2 напряжение после подключения оборудования определяется по следующему выражению:

где и2 - напряжение до подключения оборудования в точке 2.

| 00.4 0,10,9 0.9 1,4 1,41,5 1.9 2,4 2,42.9 2.9 3,4 3,4-3,9 >19

^ti

Колебания напряжения, 6U, B

Рис. 10. Гистограмма размахов изменения напряжения, возникающих при работе крана ККС-10 (для фазы А), фидер № 7

Для создания моделей был проведён анализ характерных типов электроприёмников с резкоперемен-ной нагрузкой и режимов их работы.

При помощи созданных расчётных моделей произведён расчёт колебаний напряжения в точке общего присоединения, возникающих при работе потребителей с резкопеременной нагрузкой. В результате расчётов установлено, что нормы ГОСТ 13.109-97 по размаху изменения напряжения выполняются. Таким образом, сделан вывод, что совместное питание исследуемых электроприёмников с резкопеременной нагрузкой (кран ККС-10) с коммунально-бытовыми потребителями (жилые дома, хозяйственные постройки) по существующей схеме возможно. Аналогичным образом можно сделать вывод о допустимости совместного питания других резкопеременных нагрузок с коммунально-бытовыми потребителями.

Литература

1. Черепанов В. В., Бакшаева Н. С. Экспериментальное исследование графиков электрических нагрузок основных производств лесоперерабатывающей отрасли // Сборник научных трудов ВятГТУ (№ 2) «Электротехника и энергетика». - Киров: ВятГТУ, 1997. - С. 76-79.

2. Бакшаева Н. С., Вотинцев А. В. Исследование влияния резкопеременной нагрузки лесопильных цехов на параметры качества электроэнергии в точке общего присоединения // Сборник научных трудов ежегодной открытой всероссийской научно-технической конференции «Общество, наука, инновации». ВятГУ. -Киров, 2012. - С 84-89.

3. Бакшаева Н. С. Исследование влияния электроприёмников с резкопеременным характером нагрузки на параметры качества электроэнергии // Сборник научных трудов I Международной научно-практической конференции «Современные исследования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности», ФГБОУ ВПО Юго-Западный государственный университет. - Курск, 2012 - С. 55-59.

4. Бакшаева Н. С. Исследование возможности совместного питания коммунально-бытовых потребителей с резкопеременными нагрузками характерных производств лесопильных цехов // Электрика. - 2012. - № 7. -С. 4-10.

Experimental study of variable load on busbar 0,4 kv of transformer station

A. V. Bessolitsyn,

FGEIHPE "VyatSU", lecturer of "Electric stations" faculty, PhD

N. S. Bakshaeva,

FGEI HPE "VyatSU", lecturer of "Electricity supply" faculty, PhD

A. V. Votintsev,

FGEI HPE "VyatSU", senior lecturer of "Electricity supply" faculty, PhD

E. A. Kalinina,

FGEI HPE "VyatSU", senior lecturer of "Electricity supply" faculty, PhD

Given article is devoted to the influence of the variable load on parameters of power quality at the point of common coupling.

Keywords: voltage fluctuations, power-consuming equipment, variable load, quality of electric power.