ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ НА КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена оценке влияния несимметрии токов на качество электрической энергии и на работу электрооборудования

Ключевые слова: несимметрия токов, электроэнергия, электрооборудование, потери электроэнергии, компенсирующие устройства.

Современный этап развития сельской электрификации характеризуется прогрессирующим ростом сельскохозяйственного производства и развитием производственной нагрузки – увеличением мощности нагрузок предприятий, развитием электротехнологии и автоматизации производственных процессов, а также повышением степени использования электрооборудования, в частности однофазных электроприемников (электрокалориферные установки, системы водоподготовки и микроклимата). Одним из источников потерь, является несимметрия токов в сети и на зажимах электроприемников. Несимметричные режимы работы элементов сети сопровождаются увеличением потерь энергии в них и снижением надежности их работы. Несимметрия токов и возрастание потерь в элементах сети приводит к увеличению выделения тепла в трансформаторах и кабельных линиях и к возможному перегреву изоляции, которая снижает надежность их работы. При этом возрастают также токи в нулевом проводе, что приводит к дополнительному возрастанию потерь электроэнергии.

Основной причиной возникновения длительных несимметричных режимов электрических систем является несимметрия распределения потребителей электрической энергии по фазам сети. К таким потребителям в первую очередь следует отнести электротехнологические установки, преобладающее большинство которых, вследствие несимметричного исполнения и особенностей самого технологического процесса, обуславливает несимметрию режима питающей электрической сети, что отрицательно влияет на работу потребителей и ведет к ухудшению показателей качества электрической энергии. Подключение таких потребителей к электрической сети вызывает в последней несимметрию токов и напряжений, которая отрицательно сказывается на работе всех звеньев системы: генераторов, линий электропередачи и трансформаторов, приемников электроэнергии.  Несимметрия напряжений уменьшает мощность выпрямителей, снижает эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжений сказывается на работе и долговечности асинхронных электродвигателей. При несимметрии напряжений равной 5 %, мощность асинхронного электродвигателя уменьшается на 5 – 20 %, в зависимости от исполнения двигателя. Известно, также, что несимметрия напряжения в 4 % сокращает срок службы асинхронного электродвигателя в 2 раза. [1, 2, 3, 4, 5].

Также установлено, что каждому проценту величины коэффициента несимметрии напряжений соответствует 1,73 % дополнительного отклонения напряжения. Отклонение напряжения, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям мощности и сокращению срока службы электрооборудования.[1] Например, при отклонении напряжения – 10%, активные потери двигателя увеличиваются на 2%, увеличивается ток двигателя, что приводит к преждевременному старению изоляции обмоток и в конечном итоге выходу его из строя. На каждый процент увеличения напряжения потребление электроэнергии сопровождается увеличением реактивной мощности двигателя на 3 %. Повышение напряжения сверх номинального на 1 % для ламп накаливания приводит к увеличению потребляемой мощности на 1,5 %, светового потока на 3,7 %, срок службы сокращается на 15 %. Увеличение напряжения на 3 % сокращает срок службы на 30 %. Понижение напряжения на 5 % уменьшает световой поток на 18 %, а при его снижении до 20 % запуск люминесцентных ламп не возможен. [3, 4, 6] Несимметрия напряжений и токов отрицательно сказывается также и на срабатывании релейной защиты. При несимметричном режиме токи нулевой последовательности постоянно проходят через заземлители и отрицательно сказываются на их работе, вызывая высушивание грунта и увеличение сопротивления растеканию. Несимметрия токов также оказывает значительное влияние на низкочастотные каналы проводной связи, сигнализации и автоблокировки.[2]

При работе многофазной системы в несимметричном режиме снижается пропускная способность элементов сети, происходит дополнительный нагрев электрических машин, увеличиваются потери активной мощности и энергии в системах электроснабжения. Несимметрия токов вызывает несимметрию напряжений, что в свою очередь приводит к отклонениям фазных и линейных напряжений сети. Перечисленные выше факторы снижают технико-экономические показатели процессов передачи, преобразования и потребления электроэнергии, а иногда приводят к авариям в системах электроснабжения.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

• Возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.
• Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных неноминальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.
• В электродвигателях, кроме отрицательного влияния несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.

Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K_2U = 2 – 4 %, срок службы электрической машины снижается на 10 –15 %, а, если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Поэтому ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K_2U) и нулевой (K_0U) последовательностям, – нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.

В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

• Равномерное распределение нагрузки по фазам.
• Применение симметрирующих устройств.
• Сопротивления в фазах симметрирующего устройства подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения (рис. 1).

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольт­-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Рисунок 1. Компенсация тока обратной последовательности

Например, полупроводниковые преобразова­тели потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря, – выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.

Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и так далее.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольта-мперную характеристику.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

• Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий электропередач, учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю пробиваются конденсаторы.
• В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.
• Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.
• Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.
• Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих с частотой, в n-раз превышающую частоту сети электроснабжения – частоту первой гармоники (f, n =1 = 50 Гц,   f, n = 2 = 100 Гц,   f, n = 3 = 150 Гц ...).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники, кратные трём). С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения аналогичны мероприятиям по снижению колебаний напряжений:

• Применение оборудования с улучшенными характеристиками.
• Применение "ненасыщающих" трансформаторов.
• Применение преобразователей с высокой пульсностью и т. д.
• Подключение к мощной системе электроснабжения.
• Питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин.
• Снижение сопротивления питающего участка сети.
• Применение фильтрокомпенсирующих устройств

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её, не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генери­руемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство, которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

Список литературы:

1. Серебряков А. С., Осокин В. Л. Несимметричная нагрузка и короткое замыкание трёхфазного трансформатора при соединении обмоток по схеме Y/Δ//Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. 2017 № 3 (52).
2. Серебряков А. С., Осокин В. Л. Несимметричная нагрузка трехфазных трансформаторов при соединении обмоток по схеме Y/Y-0 и Y/Y0-0//Вестник НГИЭИ.2017 № 3 (70). С. 50‒57.
3. Серебряков А. С., Осокин В. Л. Моделирование в пакете MATHCAD переходныхпроцессов в активно-емкостных цепях при переменном питающем напряжении и дискретном изменении параметров элементов//Вестник ВИЭСХ. 2016 № 4 (25). С. 13‒21.
4. Серебряков А. С., Герман Л. А., Осокин В. Л., Субханвердиев К. С. Анализ методов расчета токов короткого замыкания трансформатора при соединении обмоток по схеме Y/Δ-11//Электроника и электрооборудование транспорта. 2017 № 5 С. 19‒25.
5. Серебряков А. С., Осокин В. Л. Моделирование переходных процессов в активно-емкостных цепях при постоянном питающем напряжении и дискретном изменении параметров элементов//Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2017 № 5 С.
6. Вуколов В. Ю., Осокин В. Л., Папков Б. В. Повышение надежности и эффективности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей//Техника в сельском хозяйстве. 2014 № 3 С. 26‒30.
7. Оболенский Н.В., Осокин В.Л. Практикум по теплотехнике. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Княгинино, 2010 237 с.
8. Осокин В.Л., Макарова Ю.М. Теоретические предпосылки создания нового устройства водоподготовки в помещениях содержания крс. Вестник НГИЭИ. 2015 № 4 (47). С. 72-76