Аннотация. Проведена оценка дополнительных потерь мощности в линиях электропередачи и цеховых трансформаторах 6-10 кВ, обусловленных несимметрией нагрузки по фазам и наличием электроприёмников с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Введение
Несимметрия – это параметр режима, который, как все ПКЭ, влияет на состояние электрооборудования в том случае, если он превосходит установленные ГОСТ 32144-2013 значения. Несимметрия напряжений основной частоты оценивается, как и для всех нормируемых ПКЭ на суточном (как минимум) интервале времени, по соотношению напряжений обратной или нулевой последовательности к напряжению прямой последовательности. Коэффициент напряжения по обратной и нулевой последовательностям, установленный для сетей всех уровней напряжения, составляет 2-4%.
Качество электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения обусловлено стандартом ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». В число показателей качества электроэнергии, регламентируемых стандартом, входят показатели, связанные с несинусоидальностью и несимметрией токов и напряжений. Явления несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений являются причиной появления дополнительных потерь мощности в линях и трансформаторах от протекания соответственно токов высших гармоник и токов обратной и нулевой последовательностей через элементы сети.
В настоящее время на промышленных предприятиях эксплуатируются электроприёмники, являющиеся источниками искажений синусоидальности и симметрии токов и напряжений. Так, причиной возникновения несинусоидальности являются электроприёмники с нелинейной вольт-амперной характеристикой, например, дуговые и индукционные печи, сварочные установки, установки плазменной резки, преобразователи, незагруженные трансформаторы. Несинусоидальность напряжения неблагоприятно влияет на электрооборудование, средства автоматики и релейной защиты, системы учета электроэнергии. Данное влияние проявляется в виде дополнительных потерь мощности, затруднения компенсации реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов, создания электромагнитных помех системам автоматики, защиты, связи. Несинусоидальность напряже-ния характеризуется значениями коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка KU(n)в процентах напряжения основной гармонической составляющей U1 в точке передачи электрической энергии и значением суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения KU, % в точке передачи электрической энергии [1].
Основной причиной несимметрии является неравномерная нагрузка по фазам, что имеет место при питании однофазных электроприёмников (индукционные печи, сварочные агрегаты, коммунально-бытовая нагрузка и др.). Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности K2U, % и коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности K0U,%. При отсутствии должного контроля и проведения соответствующих технических мероприятий отклонения значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ) от стандарта приводят к сокращению срока службы электрических машин [2], а также к возникновению дополнительных потерь мощности в сетях и электрооборудовании.
Эксперимент по анализу влияния несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на дополнительные потери мощности проводился на заводской подстанции ТП-1 с трансформатором ТМ-400-6/0,4 промышленного предприятия с применением анализатора качества электроэнергии «Hioki PQ-3100». Сбор данных производился с 2 ч. 30 мин. по 12 ч. 30 мин.
На рисунке 1 представлен график зависимости коэффициента загрузки трансформатора от времени.
Из графика видно, что в ночные часы трансформатор работает в режиме, близком к холостому ходу. В данном режиме работы трансформатор является источником искажения синусоидальности напряжения.
На рисунках 2 и 3 представлены графики зависимостей активной, полной мощности и токов от времени.
Рис.1. Зависимость коэффициента загрузки трансформатора от времени
Рис.2. Зависимость потребления активной мощности от времени
Из данных графиков видно, что нагрузка по фазам неравномерная и неоднородная.
Дополнительные потери мощности из-за наличия несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в линиях электропередачи (ЛЭП) составят [3]:
Рис.3. Зависимость потребления полной мощности от времени
где I1 и I2 –действующие значения токов прямой и обратной последовательностей; Iν - значение тока ν-й гармонической составляющей; ν–номер гармоники; ΔPСИМ –потери при передаче по ЛЭП той же мощности в симметричном и синусоидальном режиме, которые составляют:
На рисунке 4 представлены графики потерь мощности в кабельной линии длиной 1 км. Площадь сечения алюминиевой жилы составляет 16 мм2.
Дополнительные потери мощности от искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений в трансформаторах 6-10 кВ составят [3]:
где U2 и Uν – напряжения обратной последовательности и ν-й гармонической составляющей, %; SТ.НОМ – номинальная мощность трансформатора.
Потери активной мощности в трансформаторе при той же мощности потребления в симметричном и синусоидальном режиме:
Рис.4. Потери мощности в кабельной линии:
1 - в симметричном и синусоидальном режиме; 2 - в несимметричном синусоидальном режиме; 3 - потери мощности при наличии несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в линии.
Рис.5. Потери мощности в трансформаторе:
1 - при работе в симметричном синусоидальном режиме; 2 - при наличии искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений.
На рисунке 5 представлены графики потерь мощности в трансформаторе ТМ-400-6/0,4 при работе в симметричном синусоидальном режиме (график 1) и при наличии искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений (график 2).
Вывод
Дополнительные потери мощности в линиях электропередач, вызванные с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений, могут быть значительными. Дополнительные потери мощности от искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений в трансформаторах 6-10кВ могут достигать 17-34 %. Для борьбы с дополнительными потерями необходимо проведение соответствующих технических мероприятий как на стадии проектирования системы электроснабжения, так и на этапе эксплуатации: использование фильтровых устройств, включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров, включение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) применение фильтросимметрирующих устройств (ФСУ), применение быстродействующих статических источников реактивной мощности (ИРМ), содержащих ФКУ.