автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электромагнитный компенсатор высших гармоник тока в сельских электрических сетях 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой

На правах рукописи

005014780

ЮНДИН КОНСТАНТИН МИХАЙЛОВИЧ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОМПЕНСАТОР ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ С ПРЕОБЛАДАЮЩЕЙ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 [;;др тг

Зерноград, 2012

005014780

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент

Кобзистый Олег Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ксенз Николай Васильевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

кандидат технических наук, доцент Савенко Алексей Валентинович (ФГБОУ ВПО Куб.ГАУ, доцент кафедры)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский

Государственный Аграрный Университет» (г. Волгоград)

Защита состоится «;?■/» 2012 года в/^ часов на засе-

дании диссертационного совета ДОЛ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО АЧГАА по адресу: 347740, г. Зерноград, Ростовской области, ул. Ленина, 21, в зале диссертационного совета. Тел./факс (8-86359) 43-3-80

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «/-?» (? Яр ¿2 12 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук профессор

Н. И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день энергосбережение является главным направлением энергетической стратегии России в сложившихся экономических условиях.

В сельском электропотреблении прогрессирует коммунально - бытовая нагрузка с преобладанием нелинейных электроприемников. Насыщение сельских сетей такими потребителями вызывает в последней возникновение высших гармонических составляющих токов и перегрузку нулевых проводов сети 0,38 кВ.

Работа сельских сетей 0,38 кВ с постоянно циркулирующими токами высших гармоник является причиной дополнительных потерь электроэнергии.

Для реализации задач энергосбережения и повышения энергоэффективности электрических сетей принят и действует Федеральный Закон Российской Федерации №261-ФЗ ог 23 ноября 2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Таким образом, оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников и разработка мер по снижению потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ являются актуальными и служат для успешного решения стратегических задач по наращиванию экономического потенциала аграрного сектора.

Цель работы - снижение энергетических потерь и повышение эффективности передачи электрической энергии в сельских сетях напряжением 0,38 кВ путем применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Объектом исследования является процесс передачи электрической энергии в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой.

Предметом исследования являются закономерности передачи электроэнергии по сельским электрическим сетям 0,38 кВ в условиях генерирования нелинейной нагрузкой высших гармоник тока, до и после применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Методы исследований.

В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теорий нелинейных электрических цепей и гармонического анализа, методы математической статистики. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов: анализаторов качества электроэнергии «Энергомонитор З.ЗТ», «Ресурс» и «НюкЬ 3196», электронного осциллографа «Актаком АСК-4166».

Для проведения исследований, реализующих предложенные методы, использованы пакеты программ БшИяИса и МиЬтт.

Научная новизна заключается в:

- определении степени влияния основных факторов на потери электроэнергии в сети 0,38 кВ;

-разработке компьютерной модели сети 0,38 кВ с нелинейной несимметричной нагрузкой;

-разработке метода снижения высших гармонических составляющих тока и напряжения;

- определении параметров устройства для компенсации высших гармоник и места его установки в сети 0,38 кВ.

Научная гипотеза - повышение эффективности передачи электрической энергии и нормализация показателей КЭ в сельской сети 0,38 кВ возможны за счет векторной компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике сети.

Рабочая гипотеза - векторную компенсацию третьей гармоники токов в сельской электрической сети 0,38 кВ можно осуществить при помощи электромагнитного компенсатора.

На защиту выносятся следующие положения:

- статистическая оценка основных факторов, влияющих на потери электрической энергии в сети 0,38 кВ;

- компьютерная модель электрической сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока;

- методика расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник тока;

- принципиальные электрические схемы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Практическая ценность работы заключается в снижении потерь электроэнергии за счет применения разработанного метода и устройства для компенсации высших гармоник тока в сети 0,38 кВ.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «АЧГАА».

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская Государственная Агро-инженерная Академия» в 2008 - 2011 годах и ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Ставрополь, 2008 г.), на 7-ой международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (Москва 2010 г.).

По результатам исследований получены в соавторстве 4 патента, одна заявка и опубликованы 4 научные статьи.

Устройство для компенсации токов 3-ей гармоники в сети 0,38 кВ внедрено в ОАО «ДонЭнерго» - АМЭС.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов основной части, общих выводов, списка используемой литературы из 157 наименований (т.ч. 18 на иностранных языках) и 7 прило-

жений. Общий объем диссертации 213 страниц машинописного текста, содержит 97 рисунок и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также изложена научная новизна и практическая ценности работы.

В первой главе «Анализ способов и технических средств снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ» выполнены анализ структуры потерь электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ и аналитический обзор существующих методов снижения потерь электроэнергии, зависящих от отклонения показателей качества электроэнергии от допустимых значений. Установлены причины возникновения высших гармонических составляющих тока и напряжения в сельской электрической сети 0,38 кВ. Проанализированы их отрицательные эффекты и возможные способы их уменьшения.

Вопросами повышения энергоэффективности передачи электрической энергии за счет снижения высших гармоник занимались многие ученые, как в России, так и за рубежом: Жежеленко И.В., Розанов Ю.К., Шидловский А.К., Наумов В.И., Агунов A.B., Аррилага Ю.С., Сукьясов C.B., Рысев A.M., Кузнецов В.Г., Карташев И.И., Савенко A.B., Куренный Э.Г., Левин М.С., Лютый А.П., Майер В.Я., Плешков П.Г., Подольский Д.С., Дрехслер Р. и др.

Анализ структуры потерь в сельских электрических сетях 0,38 кВ показал следующее. Коммерческие потери электроэнергии сложно прогнозируемы и чаще всего не предотвратимы. Технические потери электроэнергии обусловлены физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям. Из всех составляющих технических потерь, нагрузочные потери в элементах сети являются наибольшими, поэтому их снижение является одним из рациональных путей сокращения общих фактических потерь электроэнергии.

Одним из вариантов снижения нагрузочных потерь является уменьшение дополнительных потерь из-за отклонений показателей КЭ от нормально допустимых значений. В связи с широким использованием мощных вентильных преобразователей, сварочных установок, электродвигателей с ШИМ-модулированием, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на КЭ, остро возникла проблема электромагнитной совместимости сельскохозяйственных электроприемников с питающей сетью. Результат нарушения электромагнитной совместимости — разнообразные негативные воздействия на электрическое и электронное оборудование у смежных потребителей, в том числе повышенная аварийность и сокращение сроков службы электрооборудования. Кроме того, из-за появления в сельской электрической сети дополнительных неактивных составляющих полной мощности от нелинейных нагрузок наблюда-

ется рост потерь электрической энергии в сетях.

Существует много технических решений для снижения потерь электрической энергии путем уменьшения влияния высших гармонических составляющих тока. Анализ этих технических средств позволил выявить присущие им основные недостатки, ряд из которых требует дальнейшего изучения, а также предложить способы совершенствования этих технических средств.

На основании проведенного анализа сформулированы следующие задачи исследования:

¡.Проанализировать существующие способы и средства снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ.

2. Статистически исследовать реальные ПКЭ в сельских электрических сетях и выявить наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность передачи электроэнергии.

3. Обосновать эффективный метод компенсации высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ и разработать устройство для его реализации.

4. Разработать математическую модель сельской электрической сети 0,38 кВ для определения места установки в ней электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

5. Оценить технико-экономическую эффективность применения разработанного устройства для компенсации высших гармоник в сельских электрических сетях 0,38 кВ.

Во второй главе «Статистическое обоснование факторов, влияющих на потери электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ» статистически исследованы уровни искажения формы кривой тока в сельской электрической сети 0,38 кВ, проведен статистический анализ основных факторов и построена регрессионная модель потерь электроэнергии, обосновано действующее значение тока для компенсации 3-ей гармоники нейтрали сети 0,38 кВ на головном участке.

Статистических данных о факторах, влияющих на потери электрической энергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ, были получены с помощью высокоточного регистратора показателей качества электроэнергии «Энергомонитор-3 .ЗТ».

Методика расчета потерь активной мощности и электроэнергии была в максимальной степени адаптирована к имеющимся в условиях эксплуатации сетей схемным и режимным параметрам. Следует отметить, что основной причиной повышения потерь активной мощности в реальных сельских сетях 0,38 кВ являются несимметрия и несинусоидальность токов.

Так как 3-я гармоника в спектральном составе фазных токов, и особенно тока в нулевом проводе, превышает значения остальных гармонических составляющих, то действующее значение тока будет иметь вид

+ + (!) где *3' - коэффициент 3-ей гармонической составляющей тока.

Учитывая это, напряжение в сети может отклоняться в диапазоне ¿Щ) как в положительную, так и в отрицательную сторону, уточненную формулу для оценки потери активной мощности в проводе на головном участке ВЛ, приведенной к единице активного сопротивления провода, можно представить как

где ии(1) - номинальное напряжение первой гармоники в электрической сети 0,38 кВ; 8U(i) - отклонение напряжения первой гармоники; РП) - потребляемая активная мощность первой гармоники; cos <P(i)- коэффициент мощности первой гармоники.

Общие потери активной мощности в трехфазной четырехпроводной распределительной сети 0,38 кВ будут складываться из потерь в каждом проводе.

С целью определения диапазона изменения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети, были получены статистические данные из действующих сетей Астраханьэнерго, Кубаньэнерго и Ростовэнерго ОАО «МРСК Юга» на головных участках с преобладающей коммунально-бытовой нагрузкой

Результаты показали, что для последующего проектирования средств компенсации тока третьей гармоники можно принять с доверительной вероятностью 0,95 действующее значение третьей гармоники тока нейтрали равным 10,9±3,1 А. При этом относительная погрешность не превышет 28,2 %.

Для количественного определения гармонических составляющих тока проводен спектральный анализ фазных токов и тока нулевого провода.

Средние значения коэффициентов и-ых гармонических составляющих токов фаз и нулевого провода и их дисперсии в течение суток на головном участке ТП 10/0,4 мощностью 160 кВА представлены в таблице 1.

Дальнейший расчет вариации факторных признаков, проверка нормального закона распределения регрессоров, определение коэффициентов уравнения регрессии, корреляционно - регрессионный анализ и оценка полученной математической модели выполнялись с использованием программы Sta-tistica 6.

В предлагаемой регрессионной модели в качестве основных предикторов рассмотрены: усредненное значение коэффициента третьей гармонической составляющей тока в проводах на головном участке сети, усредненное значение коэффициента мощности первой гармоники, усредненное значение отклонения напряжения первой гармоники. Откликом была потеря активной мощности, приведенная к единице активного сопротивления провода.

Для составления уравнения регрессии брался промежуток времени, с постоянным энергопотреблением, для того чтобы исключить ошибку при расчетах, вызванную изменением характера и вида нагрузки.

Полученные статистические данные были подвергнуты корреляционному анализу.

АР

R ([/и(1) ±<5l/(1))2 - cos2 (р{

'о)

(2)

Таблица 1 - Средние значения и дисперсии коэффициентов и-ых гармонических составляющих токов фаз и нулевого провода в течение суток на одном из головных участков сети__

Коэффициенты п-ых гармонических составляющих токов Среднее значение, А Дисперсия, А2

А В С N А В С N

3-я 3,9 6 5 46,8 3,366 6,291 3,128 344,17

5-я 4.3 4 2,7 5,8 1,915 4,148 0,746 23,39

7-я 2,8 3,1 2,3 4.2 0,147 0,502 0,15 9,04

9-я 1 1 0,9 10 0,094 0,16 0,018 44,81

11-я 0,6 0,5 0,6 1 0,032 0,056 0,015 0,27

13-я 0.5 0,3 0,4 1 0,068 0,06 0,084 0,34

15-я 0,4 0,2 0,3 3,6 0,036 0,022 0,0036 3,18

17-я 0,3 0,3 0,3 0,7 0,009 0,016 0,0086 0,18

19-я 0,3 0,2 0,2 0,4 0,007 0,013 0,0016 0,129

Результаты показали, что коэффициент корреляции между такими факторами как коэффициент мощности первой гармоники и отклонение напряжения первой гармоники, коэффициент мощности первой гармоники и передаваемая нагрузка, отклонения напряжения первой гармоники и передаваемая нагрузка находятся в диапазоне /г/<0,25, что говорит о слабой их корреляции.

Полученные уравнения множественной регрессии представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Уравнения множественной регрессии

Б, кВА Уравнение регрессии Коэффициент детерминации (Я2)

40 АР=(417,6 - 805,1 сощ0)~ 16,9 8и0) + 17,1 к3г) Я 0,79

63 ДР=(18555,2 - 47738,3 сол<р0) - 968 Ю0) + 874 к3г) Л 0,86

100 АР=(27405 - 32798,2 с<х(рт- 2134 Ш(0 + 2050,2 к3г) Я 0,87

160 ДР=(152735 -202939 со$(р(1)- 1183 Шт + 1480 к3г) Я 0,81

250 АР=(249324 -358188о»р№- 51215и(1) + 4381^) -Я 0,74

Рассчитанные значения коэффициента детерминации, в большинстве случаев превышающие значение 0,75, свидетельствуют о хорошем приближении уравнений регрессии к возникающим на головном участке линии 0,38 кВ потерям активной мощности при передаче электроэнергии. Только четвертая часть потерь активной мощности приходится на долю не учтенных факторов.

Следует отметить, что отрицательные значения коэффициентов регрес-

сии при независимых переменных в полученной математической модели свидетельствуют о том, что с ростом этих факторов потери активной мощности на головном участке линии 0,38 кВ снижаются.

Анализ полученных выражений также показал, что необходим комплексный подход к снижению потерь мощности и энергии в сельских электрических сетях за счет регулирования коэффициента мощности первой гармоники, уровня напряжения первой гармоники и величины третьей гармоники тока. Если способы и технические средства регулирования коэффициента мощности и уровня напряжения широко известны, то простые и надежные компенсаторы высших гармоник тока нуждаются в разработке.

В третьей главе «Моделирование процесса передачи электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока» приведено аналитическое описание электромагнитного компенсатора высших гармоник тока и методика его инженерного расчета. Разработана модель электрической сети 0,38 кВ, выполненная в среде МиМ$1т 10.1, проведен анализ спектрального состава токов и обоснованы места установки электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Для компенсации высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ разработано простое и надежное устройство, состоящее из трехфазного однополупериодного выпрямителя, фазосдвигающего элемента и трансреактора (рисунок 1).

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Нелинейные однофазные нагрузки Ъ\...ЪЪ вызывают протекание в фазах и нулевом проводе сети высших гармоник токов, среди которых наиболее явно выражены третья и кратные ей гармоники.

Под действием первичных напряжений на катодах диодов трехфазного однополупериодного выпрямителя \ТЭ1...УОЗ формируется напряжение, содержащее постоянную составляющую и гармоники кратные трем. Под действием этих напряжений во вторичной обмотке трансреактора ТАУ1 будут протекать токи третьей и кратных ей гармоник, которые наведут в магнито-проводе трансреактора соответствующие магнитные потоки. Данные магнитные потоки будут воздействовать на токи первичной обмотки трансреактора, приводя к полной или частичной векторной компенсации третьей гармоники тока и токов гармоник кратных ей в нулевом проводе сети N. Для защиты сети от токов короткого замыкания в устройстве предусмотрены предохранители РШ...РШ.

Ь1_ Ь2_

ьз_

N

тп

Шаг

ФЭ

57 У

Б1Л...З

Рисунок 1 - Схема электромагнитного компенсатора высших гармоник тока

Для наиболее эффективной компенсации были определены рациональные параметры всех элементов устройства. Была составлена схема замещения трехфазной сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока, представленная на рисунке 2.

компенсатором высших гармоник тока

Схема замещения одной фазы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока представлена рисунком 3.

Рисунок 3 - Однофазная схема замещения электромагнитного компенсатора

В данной схеме С//" =С7ЛЛ,(4)-напряжение смещения нейтрали, В;

напряжение на выходе трехфазного однополупериодного выпрямителя;

= 2.зХ> +2К<1) результирующее полное комплексное сопротив-

ление первичной цепи трансреактора, состоящее из суммы эквивалентного сопротивления нагрузки, сопротивлений нулевого провода и первичной обмотки трансреактора; - результирующее полное комплексное сопротивление вторичной цепи трансреактора, состоящее из суммы токоограничивающего сопротивления фа-зосдвигающего элемента, эквивалентного сопротивления выпрямителя и сопротивления вторичной обмотки трансреактора. Для расчетов токов в схеме компенсатора использовался метод наложения (при работе трансреактора на рабочем участке кривой намагничивания).

Полагая, что в спектре тока в нулевом проводе преобладает первая и третья гармоника, а в спектре напряжения на выходе выпрямителя - постоянная составляющая и третья гармоника, для действующих значений токов в первичной и вторичной обмотках справедливо

■ (О)''

+/Л+7.

(3)'

(3)

(4)

ч ' 1 2

Постоянная составляющая тока вторичной обмотки трансреактора опре^ делена как

и |0)

1 <°> _ ' 12 ~ "

я,

(5)

где К2- суммарное активное сопротивление со стороны обмотки Ом. Наличие конденсатора в фазосдвигающем элементе (рисунок 1) снижает

величину постоянной составляющей тока.

Значения первых гармоник токов в первичной и вторичной обмотках трансреактора рассчитаны по стандартным зависимостям.

Расчет третьей гармоники тока имеет свои особенности. Поскольку в схеме замещения для третьей гармоники тока два источника питания, то первичные и вторичные токи представлены как

+ (6)

11т=1™+1л™. (7)

Откуда общая система уравнений электромагнитного равновесия имеет

вид

О)

(3)

(3)

(/^(З'.Ш- _ Т »№.]

(8)

Ф

(3)

(3)

где Ф„,'г' - амплитуда третьей гармоники основного магнитного потока, Вб; 2„ - комплексное магнитное сопротивление сердечника трансреактора, 1/Гн.

Окончательно токи третьей гармоники в первичной и вторичной цепи трансреактора определяются следующими выражениями

(12а> • IV,2 + 42] • • 2„<3))-£/,<3' -12а ■ Щ ■ ■ Ц2(3>

Г" =: ---12® ■ ■ 2д(3) - щг ■ 1г0)) + 42] ■ г,(3) • г2(3) • г;3'

„, _{42]■ 2Г ■ I™ -\lco-W')-С/2<3) +12т-Щ-^-и ¿2 —

(3)

(3)

(9)

(10)

12® • ^ • 2,<3) - щ1 ■ г2(3>)+42] • г/3' - г2<3) • хы

Как видно из полученных выражений при проектировании электромагнитного компенсатора минимизировать ток третьей гармоники в нулевом проводе сети /,(3) можно: за счет изменения числа витков со стороны вторичной цепи }¥2; за счет изменения сопротивления в цепи электромагнитного компенсатора г2, в первую очередь, сопротивления фазосдвигающего элемента; изменения магнитного сопротивления сердечника трансреактора. Из них наиболее технологичными будут первые два способа или их комбинация

«г * , У■а") -(т

где Iicpm- среднестатистическое значение компенсируемого тока третьей гармоники в нулевом проводе сети;

Z^1 - полное комплексное сопротивление нулевого провода. Таким образом, для расчета электромагнитного компенсатора вначале для конкретной электрической сети следует определить среднестатистическое значение компенсируемого тока третьей гармоники в нулевом проводе сети. Затем по полученным формулам рассчитать и принять необходимое число витков вторичной обмотки трансреактора и сопротивление фазосдви-гающего элемента. Далее следует в первом приближении рассчитать действующие значения токов в обмотках трансреактора и потребляемую им мощность. По этим данным можно выбрать марку и сечение провода вторичной обмотки трансреактора (в качестве первичной обмотки трансреактора предлагается использовать шпильку проходного низковольтного изолятора на ТП 10/0,4 кВ) и размеры сердечника трансреактора. С учетом известного сопротивления вторичной обмотки трансреакгора следует уточнить значения токов в обмотках трансреактора, потребляемую мощность и температурный режим обмоток при выбранном сечении провода.

Для определения спектрального состава токов и напряжений на отдельных участках сети 0,38 кВ и оценки наиболее эффективного места установки в ней электромагнитного компенсатора высших гармоник в среде Multisim 10.1 была разработана компьютерная модель трехфазной электрической сети с несинусоидальной и несимметричной нагрузкой (рисунок 4). Модель включала трехфазный источник ЭДС, линию электропередачи и нелинейную несимметричную нагрузку. Трехфазный источник ЭДС моделирует силовой трехфазный трансформатор. Линия 0,38 кВ представлена схемой замещения включающей продольные параметры - активное RL и индуктивное XL сопротивления. Нагрузка представляет собой несимметричное и нелинейное сопротивление. Источники третьей гармонической составляющей промоделированы как параллельно включенные источники тока с частотой 150 Гц.

Напряжения "генераторных обмоток" фаз LI, L2 и L3 имеют частоту изменения электромагнитного поля 50 Гц и сдвинуты относительно друг друга на угол -120°, начала обмоток объединены в "нейтральную точку" N по схеме "звезда с нулевым проводом". Нагрузка состоит из активно-индуктивных сопротивлений, значения которых приняты в соответствии с реальными среднестатистическими значениями в сельской электрической сети 0,38 кВ.

Модель учитывает наличие повторного заземления нулевого провсда и заземляющего контура ТП 10/0,4 кВ.

Данная модель сети была разработана для виртуального моделирования процессов, происходящих в электрической сети, по причине того, что физическое моделирование в реальной сети не всегда доступно и трудновыполнимо.

Задавая различные значения нагрузки и среднестатистическую величину источников тока третьей гармоники, в результате моделирования получили данные о гармоническом составе фазных токов и тока в нулевом проводе.

Рисунок 4 - Модель электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку, с подключенным электромагнитным компенсатором высших гармоник Анализ спектрального состава фазных токов и тока в нулевом проводе при отключенном электромагнитном компенсаторе, показал, что наибольшее значение 3-ей гармоники тока приходится на головной участок сети. В фазных токах 3-я гармоника тока на порядок ниже значений той же гармоники в нулевом проводе сети. Следовательно, компенсация 3-ей гармоники будет наиболее эффективной в начале линии, то есть при установке компенсатора в месте, наиболее близком к вводу 0,4 кВ силового трансформатора ТП 10(6)/0,4 кВ. График зависимости коэффициента третьей гармонической составляющей тока нулевого провода от длины линии представлен на рисунке 5.

о.э о,а

Ч 0,7 2-0,6

0,5 0.4

2 0.3

10,2 0.1

50

200 Длина линии,м

400

|— — кЗг-0,1 -

кЗг=0,2 •

•к3г=0,3— - — К3г=0,4-

Рисунок 5 - График зависимости коэффициента третьей гармонической составляющей тока нулевого провода от длины линии

- Юг=0,51

Результаты моделирования работы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока на разработанной компьютерной модели представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Спектральный состав токов фазного и нулевого провода до и после компенсации _

Наименование линии и номер гармоники Ток до компенсации, А Ток после компенсации, А

в начале сети в конце сети в начале сети в конце сети

ФазаЫ, 1-я 134,35 43,51 128,55 41,02

Фаза Ь2, 1-я 116,39 68,36 118,10 69,22

Фаза ЬЗ, 1-я 84,59 60,57 88,02 62,78

Нулевой провод, 1-я 30,68 17,29 31,39 20,18

ФазаЫ, 3-я 4Д 1,26 2,34 2,27

Фаза Ь2, 3-я 5,09 3,04 4,25 5,44

Фаза ЬЗ, 3-я 11,08 2,65 9,31 2,51

Нулевой провод, 3-я 13,63 2,83 2,73 2,97

Анализ полученных токов показал, что максимальная компенсация 3-ей гармоники происходит в нулевом проводе на головном участке сети, в фазных проводах наблюдается ее незначительное уменьшение. Кроме снижения токов третьей гармоники также наблюдается дополнительный эффект, связанный с уменьшением несимметрии фазных токов.

В четвертой главе «Программа и методика экспериментальных исследований, анализ результатов» разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований, выполнено физическое моделирование электромагнитного компенсатора высших гармоник тока и приведены результаты экспериментальных исследований.

Для практического определения эффекта от использования предложенного устройства и подтверждения полученных теоретических выражений, были проведены эксперименты в лабораторных условиях на физической модели (рисунок 6).

На первом этапе лабораторных исследований регистрировались электрические величины без электромагнитного компенсатора высших гармоник тока. Во время опытов записывались контрольные осциллограммы тока и напряжений, а также фиксировались следующие показатели: потребляемая полная мощность, потребляемая электроэнергия, действующие значения тока в проводах, коэффициент третьей гармонической составляющей тока в нулевом проводе.

Рисунок 6 - Схема электрическая принципиальная экспериментальной установки с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока

Для определения эффективности электромагнитного компенсатора высших гармоник тока и проверки адекватности разработанной математической модели, была собрана лабораторная установка по рисунку 6. За переменный параметр принято разное число витков вторичной обмотки трансреактора, включая наиболее рациональное, рассчитанное по формуле (12). В опытах фиксировались осциллограммы тока и напряжения в фазных и нулевом проводах, выполнялся их спектральный анализ. Кроме того, фиксировались действующие значения тока в проводах, потребляемая полная мощность и электроэнергия.

Сравнение результатов экспериментальных исследований до и после включения электромагнитного компенсатора третьей гармоники тока с расчетным числом витков показало, что потребление электроэнергии за 30 минут, уменьшилось на 2%, реактивной мощности - на 1%. Значение тока в фазе Ы уменьшилось на 2,2%, в фазе Ь2 увеличилось на 1%, в фазе ЬЗ уменьшилось на 4,5%. Значение тока в нулевом проводе уменьшилось на 13%. При других значениях числа витков вторичной обмотки трансреактора наблюдались худшие показатели.

По результатам спектрального анализа токов были выявлены следующие закономерности.

В фазе Ы амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 1,5%, третьей гармоники уменьшилось на 1,9%, пятой гармоники несущественно увеличилось на 0,8%, седьмой гармоники уменьшилось на 1%, девятой гармоники - на 0,7%. В фазе Ь2 амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 2%, третьей гармоники уменьшилось на 3%, пятой гармоники не изменилось, седьмой гармоники уменьшилась на 0,8%, де-

вятой гармоники - на 0,3%. В фазе ЬЗ амплитудное значение тока: первой гармоники уменьшилось на 6,5% А, третьей гармоники уменьшилось на 5,5% А, пятой гармоники увеличилось на 1%, седьмой гармоники увеличилось на 0,7%, девятой гармоники увеличилось на 0,9% А.

В нулевом проводе за счет компенсации произошли более существенные изменения: значение амплитуды первой гармоники тока уменьшилось на 17% , третьей гармоники - на 64%, пятой гармоники - на 3%, седьмой гармоники - на 3,6%, девятой - на 2%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока» в соответствии с методическими рекомендациями определены показатели экономической эффективности от внедрения разработанного устройства для компенсации высших гармонических составляющих в электрической сети

0.38.кВ.

Эффективность применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока показало снижение удельных эксплутационных затрат на 40,5 %, при получении чистого дисконтированного дохода в размере 54246,96 рублей в расчете на 15 лет на одну трансформаторную подстанцию и сроком окупаемости дополнительных капиталовложений 0,71 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ способов и средств снижения высших гармоник тока в сельской электрической сети 0,38 кВ показал, что эффективными будут технические средства, имеющие принцип векторной компенсации высших гармоник тока, выполненные на простой элементной базе.

2. Статистический анализ факторов, влияющих на потери активной мощности, показал, что на долю коэффициента мощности первой гармоники, отклонения напряжения первой гармоники, коэффициента 3-ей гармонической составляющей тока приходится в среднем 81% суммарных технологических потерь активной мощности.

3. На основании первичной информации, полученной в реальных сельских электрических сетях 0,38 кВ, и последующей её обработки установлено, что в течение суток действующее значение третьей гармоники тока нейтрали на вводе силового трансформатора со стороны 0,4 кВ изменяется в диапазоне 10,9±3,1 А при доверительной вероятности равной 0,95. Относительная погрешность данной оценки не превышает 28,2 %.

4. Анализ вычисленных стандартизованных регрессионных коэффициентов показал, что рассмотренные факторы в порядке уменьшения их влияния на нагрузочные потери активной мощности в сельской электрической сети 0,38 кВ можно расположить следующим образом: коэффициент мощности первой гармоники соя^; отклонение напряжения первой гармоники <Я7/,%; коэффициент третьей гармонической составляющей тока нейтрали

К3г.

5. Как показало математическое моделирование электрической сети 0,38 кВ, при значениях третьей гармонической составляющей тока нагрузки

=0,1... 0,5 наибольшие значение кгг токов наблюдалось на головном участке сети 0,38 кВ и составляло для фазы LI - =0,07... 0,17, фазы L2 -Ь,=0,06...0,15, фазы L3 - к3г =0,08...0,16, нулевого провода -jfc3,=0,48...0,81. Исходя из полученного результата, можно утверждать, что более рациональным является расположение электромагнитного компенсатора на головном участке сельской сети.

6. Предлагаемый метод и разработанный электромагнитный компенсатор высших гармоник тока позволяет уменьшить ток 3-ей гармоники в фазных проводах на 5 %, в нулевом проводе - на 55 %. При этом дополнительные потери электроэнергии снижаются на 12 %.

7. Технико-экономическая оценка эффекгивности применения электромагнитного компенсатора показала снижение удельных эксплутационных затрат на 40,5 %, при получении чистого дисконтированного дохода в размере 54246,96 рублей в расчете на 15 лет на одну трансформаторную подстанцию и сроком окупаемости дополнительных капиталовложений 0,71 года.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

- в сборниках научных трудов и научно-практических журналах:

1. Юндин, K.M. О составляющих тока нейтрали сети 0,38 кВ / М.А. Юн-дин, K.M. Юндин // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2009. - №1. С. 16-19., 0,2 пл./0,1 пл. ( с 2010 г. включен в перечень ВАК)

2. Юндин, K.M. Совершенствование компенсатора третьей гармоники тока нейтрали в сети 0,38 кВ / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., K.M. Юндин // Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч.тр. по материалам V Российской науч.-пр. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2009.

- С.228-230., 0,2 пл./0,07 пл.

3. Юндин, K.M. Оценка энергоэффективности сельских сетей напряжением 0,38 кВ с использованием многофакторного анализа / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., K.M. Юндин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды 7-й Международной научно-технической конференции - Москва: МГАУ, 2010. - С. 232-234., 0,2 пл./0,07 пл.

4. Юндин, K.M. Компенсатор третьей гармоники тока нейтрали сети 0,38 кВ / М.А. Юндин, О.В. Кобзистый., K.M. Юндин // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград, №4,2010. - С.15 -19., 0,2 пл./0,07 пл.

- патенты на изобретение:

5. Пат. 2346370 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01. Электромагнитный компенсатор третьей гармоники электрической сети / Юндин K.M., Юндин М.А., Нехаев C.B.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» -№2008103657/09; заявл. 30.01.2008; опубл. 10.02.2009, Бюл №4 - 4 е.: ил., 0,14 пл./0,047 пл.

6. Пат. 2353040 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01, H02J 3/26. Устройство защиты сети от воздействия токов третьей гармоники / Юндин K.M., Юндин М.А., Нехаев C.B.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агро инженерная академия» -№2008120456/09; заявл. 22.05.2008; опубл. 22.05.2008, Бюл №11-5 е.: ил., 0,15 пл./0,05 пл.

7. Пат. 2334298 Российская Федерация, МПК9 H02J 3/01. Электромагнитный компенсатор гармоник электрической сети / Юндин K.M., Юндин М.А., Нехаев C.B., Кобзистый О.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» -№2007115384/09; заявл. 23.04.2007; опубл. 20.09.2008, Бюл №26 - 5 е.: ил., 0,15 пл./'0,038 пл.

8. Пат. 2399139 Российская Федерация МПК9 H02J 3/01, НОЗН 7/09. Способ защиты электрической сети от гармоник тока кратных трем / Юндин K.M., Юндин М.А., Таранов М.М.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» -№2009116658/09; заявл. 30.04.2009; опубл. 10.09.2010, Бюл №25 - 5 е.: ил., 0,13 пл./0,043 пл.

9. Заявка 2010126790 Российская Федерация МПК9 H02J 3/01. Устройство для компенсации тока третьей гармоники нейтрали сети / Юндин K.M., Юндин М.А., Кобзистый О.В.; патентообладатель «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» -№2010126790/07; заявл. 30.06.2010,опубл. 10.01.12, Бюл №1 - Зс.: ил., 0,11 пл./0,028 пл.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 14.02.2012. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 58.

© РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.

Диссертация Юндина Константина Михайловича защищена на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 27 марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ.220.001.01, д.т.н. професс^ОЕ»,

Н.И.Шабанов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ»

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОМПЕНСАТОР ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,38 кВ С ПРЕОБЛАДАЮЩЕЙ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в

61 12-5/2202

ЮНДИН КОНСТАНТИН МИХАИЛОВИЧ

сельском хозяйстве (по техническим наукам)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Кобзистый О.В.

Зерноград, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 11 СЕТЯХ 0,38 кВ.....................................................................

1.1 Структура потерь электроэнергии при передаче в сети 0,3 8 кВ......... 11

1.2 Потери электроэнергии, зависящие от отклонений показателей качества электроэнергии (КЭ)............................................................. 18

1.3 Сопутствующие отрицательные последствия высших гармоник тока при протекании в сельской электрической сети 0,38 кВ............... 21

1.4 Способы нормализации показателей качества электроэнергии.......... 26

1.5 Выводы. Цель работы и задачи исследования.............................. 40

2 СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПОТЕРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОЙ СЕТИ 0,38 кВ.............................................................................. 42

2.1 Статистическое исследование уровня искажения формы кривой тока

и напряжения в сельской электрической сети 0,38 кВ......................... 42

2.2 Статистический анализ основных факторов и построение регрессионной модели потерь электроэнергии............................................. 56

2.3 Обоснование действующего значения тока для компенсации 3-ей гармоники нейтрали сети 0,38 кВ на головном участке........................ 63

2.4 Выводы.............................................................................. 68

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОЙ СЕТИ 0,38 кВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА..................... 70

3.1 Устройства для повышения энергоэффективности передачи электрической энергии методом векторной компенсации высших гармоник в

сельской сети 0,38 кВ........................................................................................ 70

3.1.1 Устройство для уменьшения третьей гармонической составляющей

тока нейтрали сети 0,38 кВ......................................................... 70

3.1.2 Электромагнитный компенсатор высших гармонических токов

на участке сети 0,38 кВ................................................................ 75

3.1.3 Способ защиты электрической сети от гармоник тока кратных трем 77

3.1.4 Разработка схемотехнического решения усовершенствованного электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.................. 79

3.2 Разработка теории и методики расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник в электрической сети 0,38 кВ................................................................................. 80

3.3 Моделирование электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку......................................................... 87

3.4 Моделирование электрической сети 0,38 кВ, питающей нелинейную несимметричную нагрузку с подключенным электромагнитным компенсатором.................................................................................... 101

3.5 Выводы.............................................................................. 106

4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ........................................ 108

4.1 Методика проведения физического моделирования электромагнитного компенсатора третьей гармоники......................................................108

4.2 Моделирование режимов работы сельской сети без компенсатора высших гармоник тока......................................................... 112

4.3 Моделирование режимов работы сельской электрической сети с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока .................. 120

4.4 Выводы............................................................................... 130

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПЕНСАТОРА ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА...................................................... 131

5.1 Определение экономической эффективности от внедрения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.......................... 131

5.2 Выводы............................................................................... 140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................141

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................................161

-5-ВВЕДЕНИЕ

Важным фактором значительного влияния на уровень прибыли энергетических предприятия, является организация эффективного энергетического обеспечения технологических производств (процессов), что в конечном итоге, снижает энергетические затраты на выпускаемую продукцию или на оказываемые услуги. Поэтому в политике российских энергокомпаний, направленной на повышение конкурентоспособности их продукции, важное значение имеет проблема повышения эффективности энергетического обеспечения предприятий и использования топливно-энергетических ресурсов.

Потери электроэнергии в электрических сетях - главный показатель экономичности их работы, наглядный индикатор состояния системы учета электроэнергии, эффективности энергосбытовой деятельности энергоснабжаю-щих организаций [1]. Этот индикатор отчетливо свидетельствует о накапливающихся проблемах, которые требуют безотлагательных решений в развитии, реконструкции, техническом перевооружении электрических сетей, совершенствовании методов средств их эксплуатации управления, в повышении точности учета электроэнергии, эффективности сбора денежных средств за поставленную потребителям электроэнергию и т.п.

По мнению международных экспертов, относительные потери электроэнергии при ее передаче, а также распределении в электрических сетях большинства стран, можно считать удовлетворительными, если они не превышают 4-5 % [2]. Потери электроэнергии на уровне 10 % считаются уже чрезмерными, с точки зрения физики передачи электроэнергии по сетям. Очевидно, что резкое обострение проблемы снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях требует активного поиска новых путей ее решения, новых подходов к избранию соответствующих мероприятий, к организации работы по снижению потерь. В связи с резким сокращением инвестиций в развитие, техническое перевооружение сельских электрических сетей, в совершенствование систем управления их режимами, учета электро-

энергии, появился ряд негативных тенденций, отрицательно влияющих на уровень потерь в сетях, таких как:

- устаревшее оборудование,

- физический и моральный износ средств учета электроэнергии,

- несоответствие установленного оборудования передаваемой мощности,

- несоответствие показателей качества электроэнергии.

Следовательно, на фоне происходящих изменений хозяйственного механизма в энергетике, кризиса экономики в стране проблема снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях не только не утратила свою актуальность, но наоборот выдвинулась в одну из первоочередных задач обеспечения финансовой стабильности энергоснабжающих организаций [3].

Вопросами повышения энергоэффективности передачи электрической энергии за счет снижения высших гармоник занимались многие ученые, как в России, так и за рубежом: Жежеленко И.В., Розанов Ю.К., Шидловский А.К., Наумов В.И., Агунов A.B., Аррилага Ю.С., Сукьясов C.B., Рысев A.M., Кузнецов В.Г., Карташев И.И., Савенко A.B., Куренный Э.Г., Левин М.С., Лютый А.П., Майер В.Я., Плешков П.Г., Подольский Д.С., Дрехслер Р. и др.

В большинстве научных работ исследованы режимы и составлены модели различных нагрузок и элементов применительно к промышленным, судовым и железнодорожным системам электроснабжения. Теоретические методы расчета состава гармоник в указанных системах электроснабжения по разработанным математическим моделям позволяют определить уровень их влияния на потери энергии и решать вопросы повышения энергоэффективности сетей.

Однако для сельских электрических сетей не всегда удается воспользоваться этими методами напрямую, поскольку отсутствует точная информация о параметрах режима нелинейных нагрузок.

В настоящее время большая часть электроэнергии транспортируется по сельским электрическим сетям 0,38 кВ бытовым электропотребителям. При этом узлы нагрузки насыщаются электроприемниками с нелинейными вольт-

амперными характеристиками. Прогрессирующий рост нелинейных нагрузок обуславливает важность и актуальность решения проблемы, снижения влияния высших гармоник на дополнительные потери электроэнергии в сельских электрических сетях.

Целью диссертационной работы является снижение энергетических потерь и повышение эффективности передачи электрической энергии в сельских электрических сетях напряжением 0,38 кВ путем применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Объектом исследования является процесс передачи электрической энергии в сельских распределительных электрических сетях напряжением 0,38 кВ с преобладающей нелинейной нагрузкой.

Предметом исследования являются закономерности передачи электроэнергии по сельским электрическим сетям 0,38 кВ в условиях генерирования нелинейной нагрузкой высших гармоник тока до и после применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Научная гипотеза - повышение эффективности передачи электрической энергии и нормализация показателей КЭ в сельской электрической сети 0,38 кВ возможны за счет векторной компенсации в нулевом проводнике сети тока третьей гармоники.

Рабочая гипотеза - векторную компенсацию третьей гармоники токов в сельской электрической сети 0,38 кВ можно осуществить при помощи электромагнитного компенсатора.

Результаты исследования изложены в диссертационной работе, состоящей из пяти глав основного текста.

В первой главе «Анализ способов и технических средств снижения потерь электроэнергии в сельских электрических сетях 0,38 кВ» рассмотрен и произведен аналитический обзор существующих методов снижения потерь электроэнергии, сформулирована актуальность темы, определена цель, объект и задачи исследования.

Во второй главе «Статистическое обоснование факторов, влияющих на потери электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ» проведено статистическое исследование уровня искажения формы кривой тока, выполнен статистический анализ основных факторов и построена регрессионная модель потерь электрической энергии, обосновано действующее значение тока для компенсации третьей гармоники в нулевом проводе на головном участке сети.

В третьей главе «Моделирование процесса передачи электрической энергии в сельской электрической сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока» дана методика инженерного расчета электромагнитного компенсатора высших гармоник тока. Разработана в среде МиШБШ модель электрической сети 0,38 кВ, проведен анализ спектрального состава токов и обосновано место установки электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

В четвертой главе «Программа и методика проведения экспериментальных исследований, анализ результатов» представлена методика проведения, выполнено физическое моделирование устройства и предоставлены результаты экспериментальных исследований.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности применения электромагнитного компенсатора высших гармоник тока» определены показатели экономической эффективности от внедрения разработанного устройства для компенсации высших гармонических составляющих в электрической сети 0,38 кВ.

Научная новизна заключается в:

- определении степени влияния основных факторов на потери электроэнергии в сельской электрической сети 0,38 кВ;

- разработке компьютерной модели сети 0,38 кВ с нелинейной несимметричной нагрузкой;

- разработке метода снижения высших гармонических составляющих тока и напряжения;

-9- определении параметров устройства для компенсации высших гармоник и места его установки в сельской электрической сети 0,38 кВ.

Практическая значимость заключается в:

- предложенной методике оценки основных факторов, влияющих на потери электрической энергии.

- выполненном количественном и интервальном анализе действующего значения тока частотой 150 Гц на головном участке в нулевом проводе сельской электрической сети 0,38 кВ.

- определении диапазона работы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока на головном участке сети 0,38 кВ и разработке самого компенсатора.

- разработке методики инженерного расчета электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теорий нелинейных электрических цепей и гармонического анализа, методы математической статистики. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов: анализаторов качества электроэнергии «Энергомонитор З.ЗТ», «Ресурс» и «Hioki-3196»; электронного осциллографа «Актаком АСК-4166».

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается:

- корректным использованием методов преобразования нелинейных электрических цепей и математической статистики.

- использованием высокоточных регистраторов качества электрической энергии с классом точности 1(2).

- хорошим совпадением результатов активных экспериментов и аналитических расчетов.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения

- статистическая оценка основных факторов, влияющих на потери электрической энергии в сети 0,38 кВ.

- компьютерная модель электрической сети 0,38 кВ с электромагнитным компенсатором высших гармоник тока.

- методика расчета рациональных параметров электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

-принципиальные электрические схемы электромагнитного компенсатора высших гармоник тока.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный электромагнитный компенсатор высших гармоник тока внедрен в ОАО «ДонЭнерго» - АМЭС.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА на кафедре «ТОЭ и ЭСХ».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская Государственная Агроинженерная Академия» в 2008 - 2010 годах, ФГОУ ВПО «Ставропольский Государственный Аграрный Университет» (Ставрополь, 2008 г.), на 7-ой международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» ( Москва, 2010г.).

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

0,38 кВ

1.1 Структура потерь электроэнергии при передаче в сети 0,38 кВ

Электрические сети, напряжением 0,38 кВ, являются последним звеном в цепи передачи и распределения электроэнергии от электростанций к потребителям. По России в целом они составляют около 40% от суммарной протяженности всех электрических сетей. Сельские сети обладают рядом особенностей, отличающих их от городских сетей. Большое количество удаленных друг от друга потребителей сравнительно малой мощности и радиальное построение сетей создают трудности в обеспечении надежности электроснабжения. Чаще, чем в городских сетях, применяются провода малых сечений и трансформаторы малой мощности, что вызывает повышенный расход мощности и падение напряжения в сетях. Значительная доля общих затрат приходится на распределительные сети среднего и низкого напряжений [4]. От надежности работы сельских электрических сетей 0,38 кВ и их загрузки, решающим образом зависят надежность, качество и экономичность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Расчет потерь электроэнергии в этих сетях является одним из наиболее трудоемких [5, 6]. Это связано со следующими особенностями распределительных сетей:

- большим объемом информации с - одновременно низкой ее достоверно-

стью;

- большой протяженностью и разветвленностью;

- динамикой изменения схемных и особенно режимных параметров;

- различным исполнением участков: пятипроводные (три фазы, ноль - и

фонарный провод), четырехпроводные (три фазы и ноль), трехпровод-

ные (две фазы и ноль), двухпроводные (одна фаза и ноль);

- неравномерностью загрузки фаз;

-12- неодинаковостью фазных напряже