Меню

Измерение напряжения несимметрии коэффициент несимметрии



Лекция. Несимметрия напряжения

Содержание лекции: несимметрия напряжения, влияние несимметрии напряжения на работу электрооборудования.

Цель лекции: изучить основные формулы расчета несимметрии напряжения.

Несимметрия напряжения – это несимметрия трёхфазной системы напряжений. Характеризуется коэффициентом обратной и нулевой последовательности. Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам [4, 8].

Источниками несимметрии напряжений являются дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие одно фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые. Так, суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85-90% несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20%, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может обусловить превышение, нормально допустимые 2%.

Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:

— в электрических сетях возрастают потери ЭЭ от дополнительных потерь в нулевом проводе;

— однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей ЭЭ работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения;

— в ЭД, кроме отрицательного влияния не 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 K2U=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 (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, — нормально допустимое 2% и предельно допустимое 4%. В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой. [2,4]

Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:

— равномерное распределение нагрузки по фазам (см. рисунок 6.1). Это наиболее эффективное мероприятие, но оно требует творческого подхода при проектировании электроустановок и решительности при эксплуатации;

— применение симметрирующих устройств. Сопротивления в фазах симметрирующего устройства (СУ) подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения. Применение симметрирующих устройств сопровождается дополнительными капитальными затратами на их приобретение и монтаж, затратами на обслуживание и эксплуатацию.

Рисунок 6.1 – Распределение нагрузки по фазам

Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях – при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях.

Несимметрия напряжений характеризуется наличием в трехфазной электрической сети напряжений обратной или нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в результате наложения на систему прямой последовательности напряжений системы обратной последовательности, что приводит к изменениям абсолютных значений фазных и междуфазных напряжений (см. рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Векторная диаграмма напряжений прямой и обратной последовательности

Помимо несимметрии, вызываемой напряжением системы обратной последовательности, может возникать несимметрия от наложения на систему прямой последовательности напряжений системы нулевой последовательности. В результате смещения нейтрали трехфазной системы возникает несимметрия фазных напряжений при сохранении симметричной системы междуфазных напряжений (см. рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Векторная диаграмма напряжений прямой и нулевой последовательности

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности равен, %:

где U2(1) – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В;

U1(1) – действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, В.

где Uном.мф – номинальное значение междуфазного напряжения сети, В.

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности равен, %:

где U0(1) – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В.

где Uном.ф – номинальное значение фазного напряжения, В.

Измерение коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности проводят в четырехпроводной сети.

Относительная погрешность определения К2U и КU по формулам численно равна значению отклонений напряжения U1(1) от Uном.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точке общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 %.

Читайте также:  Самый хороший термометр для измерения температуры тела

Нормированные значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точке общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ также равны 2,0 и 4,0 %.

Источник

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

Рубрика: 5. Энергетика

Дата публикации: 14.05.2018

Статья просмотрена: 2807 раз

Библиографическое описание:

Руди, Д. Ю. Исследование коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в распределительных сетях низкого напряжения / Д. Ю. Руди, Д. А. Коровин. — Текст : непосредственный // Технические науки: проблемы и перспективы : материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, июль 2018 г.). — Санкт-Петербург : Свое издательство, 2018. — С. 38-44. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/288/14243/ (дата обращения: 27.03.2021).

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 K2U может быть рассчитан по формуле:

Читайте также:  Как измерить температуру воздуха iphone

, (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.

Изменения значения коэффициентов несимметрии напряжения при уменьшении значений мощности нагрузки

Мощность нагрузки, кВА

0,4 кВ

UАВ

UВС

UАС

K2U

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.

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

Обработка полученных значений K2U 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 K2U. Интерфейс результатов обработки значений K2U в сетях низкого напряжения представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Результаты обработки значений K2U 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.

  1. 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.

  1. 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.

Читайте также:  Измерение дерева по тени человека

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.

  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.

Источник