Исследование коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в распределительных сетях низкого напряжения



В статье описаны процессы, связанные с появлением несимметрии трехфазной системы напряжений в электрических сетях, пояснены причины, почему это явление является нежелательным. Рассмотрены причины возникновения несимметрии напряжений и их влияние на работу электрического оборудования и энергосистему в целом. Несимметрия напряжения в низковольтных электрических сетях приводит к снижению качества и потерям электрической энергии, повышению риска отказа электросетевого оборудования, снижению его коэффициента полезного действия (КПД). Рассмотрены вопросы снижения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности и даны основные рекомендации, позволяющие улучшить качество электроэнергии для соответствия его требованиям ГОСТа 32144–2013, отвечающий за нормы показателей качества электрической энергии в системах электрического снабжения общего назначения. Симметрирование режимов электрической сети трехфазной системы минимизацией напряжений обратной последовательности позволяет снизить потерю напряжения, электрической мощности и энергии в электрической сети конечных потребителей, улучшить качество электроснабжения на участке сети от питающего центра до устанавливаемого электрооборудования. В заключении отмечено, что на данный момент проблема несимметрии напряжений требует незамедлительного решения, так как электрические сети 0,4 кВ характеризуются значительной несимметрией напряжений.

Ключевые слова: качество электрической энергии, коэффициент несимметрии напряжения, несимметрия, потери электроэнергии, симметрирующее устройство, электрическая сеть низкого напряжения.

Растет озабоченность по поводу поставок электроэнергии промышленным предприятиям, главным образом, когда их процессы основаны на восприимчивых нагрузках. В таком случае качество электроэнергии становится чрезвычайно актуальным. Показатели надежности и уровни напряжения, например, являются параметрами, гораздо более регулируемыми сейчас. К другим явлениям качества электроэнергии также относятся гораздо более подробно, такие как провал напряжения, гармонические искажения, несимметрии напряжений и тока и т. д.

В данной статье представлена методология измерения, мониторинга и контроля несимметрии напряжений в распределительных сетях низкого напряжения. Распределение однофазных и двухфазных нагрузок по сети и их случайные значения мгновенной потребности можно рассматривать как основные причины несимметрии напряжений в трехфазной системе электроснабжения.

Вопреки некоторым другим нарушениям в электроэнергетических системах, для которых производительность очевидна для обычного потребителя, несимметрия напряжений относится к тем возмущениям, в которых их ощутимые эффекты возникают в долгосрочной перспективе.

Несимметрия напряжений приводит к резкому снижению эффективности трехфазных асинхронных двигателей. Поскольку асинхронные двигатели представляют наибольшую часть промышленных нагрузок, видно, что несимметрия напряжений следует тщательно изучать и контролировать [1].

Поскольку несимметрия напряжений влияет на оборудование, это нарушение должно решаться статистическим анализом. Что касается регулирования напряжения и несиммметрия напряжений, то мировая тенденция состоит в том, чтобы рассмотреть их мониторинг и измерение на 10-минутных интервалах в течение 1 недели [2].

Несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения учитывает изменение фазовых углов и / или величины фазовых напряжений. В работе [3] приведены основные последствия несимметрия напряжений.

Распределительные сети низкого напряжения — основное внимание в этой статье — вводят небольшую несимметрию напряжений из-за их сопротивлений. Основная причина может рассматриваться как несимметрию тока из-за распределения однофазных и двухфазных нагрузок по сети, таких как общественное освещение и жилые помещения.

Коэффициент несимметрии напряжений обычно связан с системой отрицательных симметричных компонентов. Это связано с большим количеством единиц оборудования, которые имеют свою эффективность и влияние на жизнь, в основном такие, как генераторы и двигатели, где большая часть электроэнергии преобразуется.

Коэффициент несимметрии по обратной последовательности и нулевой последовательности определяются по следующим формулам [4–6]:

; (1)

. (2)

где — напряжение нулевой последовательности;

— напряжение прямой последовательности в трехфазной системе электроснабжения;

— напряжение обратной последовательности в трехфазной системе электроснабжения.

Уровень значений коэффициента несимметрии по обратной последовательности, равный 2 % будем считать нормально допустимым, равный 4 % — предельно допустимым [2].

Уравнение (1) позволяет вычислять несимметрию напряжения в системе только с использованием межфазных напряжений. Такое вычисление выполняется с использованием величины напряжения только тогда, когда методы, основанные на напряжениях фазы к земле, требуют величины и фазовых углов. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности K_2U может быть рассчитан по формуле:

, (3)

где , в свою очередь — основная составляющая напряжения между фазами и .

Для исследования качества функционирования сети по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности проведено исследование на литейном участке промышленного предприятия, нагрузками которого являются дуговые сталеплавильные печи.

Источником кондуктивной низкочастотной ЭМП является литейный участок, в состав которого входят 4 нагрузки каждая мощностью 170 кВ∙А, то можно сделать вывод, что при уменьшении этой мощности значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности должны также уменьшаться.

Чтобы убедиться в верности данного суждения, в разработанной модели мы уменьшали мощности нагрузок с 190 кВ∙А до 30 кВ∙А с шагом 20 кВ∙А. При этом на каждом шаге уменьшения значения мощности всех 4-х нагрузок были одинаковы.

Таблица 1

Изменения значения коэффициентов несимметрии напряжения при уменьшении значений мощности нагрузки

Мощность нагрузки, кВ∙А	0,4 кВ
	UАВ	UВС	UАС	K2U
190	360,1	388,9	354	4,7
170	364	391	359,6	4,2
150	368,4	393,2	364,7	3,8
130	372,6	395	369,9	3,3
110	376,9	396,5	375	2,8
90	381,1	397,7	379,9	2,4
70	385,3	398,7	384,6	1,9
50	389,5	399,4	389,1	1,4
30	393,7	399,7	393,3	0,82

Все полученные с помощью модели, приведённой в работе [7] значения мощностей нагрузок и линейных напряжений, а также вычисленные с помощью формулы (3) значения коэффициентов несимметрии напряжения сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Значения мощностей нагрузок, линейных напряжений икоэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности всетях 0,4 кВ при перегрузки фаз Аи В

Мощности нагрузок				Линейное Напряжение сети 0,4 кВ			Значение К2U в сети 0,4 кВ,%
P1, кВ·А	P2, кВ·А	P3, кВ·А	P4, кВ·А	UAB, В	UBС, В	UAС, В
170	181	146	202	354,3	363,8	383,7	3,7
172	182	170	174	359	358,7	383,9	3,6
204	192	176	185	353,7	355,4	383,9	4,3
163	138	137	168	363,3	368	386,4	3,0
205	156	167	195	356,1	360,8	382,2	3,5
165	198	166	170	357,7	358,2	385,7	4,0
156	189	172	211	355,2	361,9	379,4	3,1
141	155	185	155	367,7	361,8	382,4	2,6
150	154	149	149	365,7	364,7	387,5	3,2
188	169	165	154	360,7	358,2	387,6	4,1
181	146	170	138	366,5	359,8	387,1	3,5
182	170	202	151	363,8	354,4	383,1	3,6
192	176	174	162	359,3	356,8	385,8	4,0
138	137	185	172	368,2	365,4	379,1	1,8
156	167	168	151	364,4	360,7	386,1	3,4
198	166	195	162	360,9	354,9	383,4	3,8
189	172	170	181	357,4	359,1	383,9	3,7
155	185	211	200	359,2	357,3	376	2,6
154	149	155	176	363,1	366,2	383,5	2,7
169	165	149	170	360,1	363,2	386,6	3,6
146	170	154	172	361,8	364,4	384,9	3,1
170	202	138	204	351,1	362,5	385,3	4,3
176	174	151	163	359,5	361	387,7	3,9
137	185	162	205	357,5	364,7	380,3	2,9
167	168	172	165	361,9	360,2	384,5	3,4
166	195	151	156	358,7	359	389,1	4,4
172	170	162	141	363,6	359	388,6	3,9
185	211	181	150	357,5	352	387,6	4,8
149	155	200	188	364,1	361,7	376,9	2,0
165	149	176	181	362,3	363,2	380,9	2,6
170	154	170	182	361,3	362,9	382	2,9
202	138	172	192	358,9	362,2	381,3	3,0
174	151	204	138	368,4	356,1	383,1	3,3
185	162	163	156	361,6	359,7	386,8	3,8
168	172	205	198	359,5	358,1	376,8	2,6
195	151	165	189	358,2	362	382,6	3,3
170	162	156	155	362,7	361,7	387,2	3,6
211	181	141	154	355,9	357,6	391,5	5,0
155	200	150	169	357,5	360,5	387,5	4,1
149	176	188	146	365,9	357,9	384,3	3,3
154	170	181	170	362,9	360,5	382,2	2,9
138	172	182	176	363,5	362	380,8	2,6
151	204	192	137	363,7	353,5	386,3	4,2
162	163	138	167	360,7	365,1	387,7	3,6
172	205	156	166	356,1	357,6	388	4,5
151	165	198	172	364,3	359,4	379,9	2,7
162	156	189	185	362,5	361,5	379,2	2,5
181	141	155	149	364,8	362,8	387,4	3,4
200	150	154	165	360	361,3	386,8	5,8
176	188	169	170	358,1	358	385,4	4,0

Обработка полученных значений K_2U с помощью моделирования проводилась с помощью программы для ЭВМ, в которой рассчитаны параметры закона распределения исследуемой случайной величины, а также определены вероятности появления кондуктивной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности при данных массивах значений K_2U. Интерфейс результатов обработки значений K_2U в сетях низкого напряжения представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Результаты обработки значений K_2U в сети 0,4 кВ при перегрузке фаз А и В

Для решения проблемы несимметрии напряжений существует несколько мероприятий.

1. Использование межфазных переменных сопротивлений.

Одним из способов снижения несимметрии напряжений является выравнивание нагрузок по фазам [7]. Техническим решением данного способа является введение дополнительного межфазного переменного сопротивления. В работе [8] выявленные зависимости позволяют определиться с направлением и порядком изменения значений сопротивлений. При этом становится известным, как изменятся значения линейных напряжений, что позволит найти верное направление для уменьшения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. Варьируя данными зависимостями, можно подобрать конечные значения межфазных сопротивлений, при которых значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности станет в пределах, нормируемых ГОСТ 32144–3013.

2. Увеличение мощности трансформатора в системе.

В работах [4,9] исследуются зависимости коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности для высокого и низкого напряжения от мощности силового трансформатора. В ходе эксперимента при уменьшении мощности трансформатора на низком напряжении коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности увеличивается, а на высоком — уменьшается. Причем данные зависимости наблюдаются при разных мощностях источника напряжения, разница лишь в том, что при более высокой мощности источника зависимости, как для высокого, так и для низкого напряжения начинаются с меньших значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности.

Увеличение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в сети низкого напряжения при снижении мощности трансформатора можно объяснить тем, что мощность нагрузки растет относительно мощности трансформатора и запас по мощности трансформатора уменьшается.

При этом с увеличением мощности источника питания возрастает степень увеличения значений коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности при снижении мощности силового трансформатора.

Уменьшение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в сети напряжения 10 кВ при снижении мощности трансформатора можно объяснить тем, что мощность источника напряжения относительно мощности трансформатора увеличивается и, соответственно, увеличивается запас по мощности источника питания.

При этом с увеличением мощности источника питания уменьшается степень уменьшения значений коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности при снижении мощности силового трансформатора.

3. Применение симметрирующего устройства.

Еще одним техническим решением выравнивания нагрузок по фазам является введение симметрирующего устройства трансформаторного типа. Реализуется оно с помощью изменения величины емкости конденсатора или индуктивности катушки. Проведенные исследования, описанные в статье [3], показали, что такое симметрирующее устройство позволяет снизить несимметрию напряжений до тех значений, которые нормируются ГОСТом 32144–2013.

Исходя из выше изложенного, необходимо отметить, что несимметрия напряжений отрицательно влияет на работу двигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей, выпрямителей и линий электропередач [10–13], вызывая дополнительные потери энергии и создавая проблемы безопасности для энергосистемы.

Вопрос решения научно-технической задачи определения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности не решен в связи с отсутствием соответствующего стандарта. Поэтому возникает необходимость в разработки алгоритма по её определению [14], что позволит своевременно обнаруживать данную помеху и вероятность её появления в электрических сетях любого уровня напряжения и тем самым оценивать уровень опасности от данной помехи. Данный алгоритм позволит сделать шаг вперед на пути к подавлению несимметрии напряжений по обратной последовательности, что является актуальным на сегодняшний день.

Литература:

1. Руди, Д. Ю. Негативное влияние несимметрии и методы их устранения в системе электроснабжения / Д. Ю. Руди, Н. А. Ткачук // В сборнике: Теория и практика современной науки сборник научных трудов по материалам XX Международной научно-практической конференции. 2017. С. 87–91.
2. ГОСТ 32144–2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электро- снабжения общего назначения. — Взамен ГОСТ 13109–97; введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 20 с.
3. Руди, Д. Ю. Исследование снижения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности с помощью симметрирующего устройства трансформаторного типа / Д. Ю. Руди, А. И. Антонов, А. А. Руппель, Е. Ю. Руппель // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 103–106.
4. Антонов, А. И. Исследование зависимости коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности от мощности источника электрической энергии / А. И. Антонов, А. А. Руппель, В. Г. Сальников // В сборнике: Наука молодых — будущее России сборник научных статей международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых: в 3 томах. Юго-Западный государственный университет. 2016. С. 312–316.
5. Антонов, А. И. Снижение коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности в системе электроснабжения литейного участка / А. И. Антонов [и др.] // В сборнике: Юность и Знания — Гарантия Успеха — 2015 Сборник научных трудов 2-й Международной научно-практической конференции: В 2-х томах. Ответственный редактор: Горохов А. А.. 2015. С. 309–312.
6. Антонов, А. И. Определение кондуктивной низкочастотной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности / А. И. Антонов [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2015. № 4. С. 199–203.
7. Антонов, А. И. Регулирование значений коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности с помощью межфазных переменных сопротивлений / А. И. Антонов, Е. Ю. Зозуля, Д. Ю. Руди // В сборнике: Инновационные технологии в науке и образовании сборник статей победителей IV Международной научно-практической конференции: в 3 ч.. 2017. С. 94–101.
8. Антонов, А. И. К вопросу изменения значений коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности при различных значениях межфазных сопротивлений / А. И. Антонов [и др.] // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 77–81.
9. Антонов А. И. Исследование зависимости коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности от мощности силового трансформатора / А. И. Антонов, Е. Ю. Зозуля, Д. Ю. Руди // В сборнике: WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS сборник статей победителей VI Международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2016. С. 80–85.
10. Романова В. В., Хромов С. В. Определение вероятности возникновения несимметрии напряжений снижающих надёжность асинхронных двигателей / ред. Ю. Ф. Эльзессер; отв. за выпуск Л. А. Павлов // Материалы конф. ГНИИ «Нацразвитие»: сб. избр. ст. Санкт-Петербург: Изд-во ГНИИ, 2017. С. 80–86.
11. Романова В. В., Дейс Д. А., Хромов С. В. Влияние искажения симметрии питающей сети на режимы работы асинхронного двигателя // Новый взгляд. Международный научный вестник. 2016. № 11. С. 134–142.
12. Шелехина Л. Ю., Ахтырская А. Ю. Влияние несимметрии токов и напряжений на работу электрооборудования // Россия в XXI веке: факторы и механизмы устойчивого развития: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Наука и Просвещение, 2016. С. 25–28.
13. Альмиева Д. С., Галеева Р. У. Влияние несимметрии напряжения по обратной последовательности на характеристики высоковольтных асинхронных двигателей // Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: материалы III Pос. молодеж. науч. шк.-конф. Томск: СКАН, 2015. С. 184–188.
14. А. с. Рос. Федерация, ФГБНУ ИУО РАО, ОФЭРНиО, Алгоритм определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжения по обратной последовательности [Текст] / А. И. Антонов, Ю. М. Денчик, Д. А. Зубанов [и др.]. — № 23380; заявл. 27.12.2017 г.; опубл. хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 12 (103) декабрь 2017–66 С.