автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Контроль симметричных составляющих несимметричных напряжений в системах электроснабжения 6-10 кВ

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

ЮН И С Камаль

УДК 621.317.8.001.8

КОНТРОЛЬ СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НЕСИММЕТРИЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 6—10 кВ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте,

. Научный руководитель доктор технических наук, профессор ЦАПЕНКО Е. Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор СОБОЛЕВ В. Г., кандидат технических наук, доцент ГЛУХАРЕВ Ю. Д.

Защита диссертации состоится . » [991 г

ь'у. . час. на заседании специализированного совета

'К-053.12.03 в Московском ордена Трудового Красного Зна* мени горном институте по адресу: 117935, г. Москва, В-49, Ленинский проспект, дом. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке .института.

Автореферат разослан «(5. » ^ ^^■ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, доц. Е. Е. ШЕШКО

"¿ЦИЙ

( ОЫЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

актуальность работы. Всемерное повышение качества переда--вае^ой потребителям электрической энергии и максимально воз-

можная ее экономия являются одним из наиболее важных условий эффективного функционирования хозяйственной системы любой страны на современном этапе ее развития. Основным средством электроснабжения промышленных предприятий служат электрические расп-ределителььые сети трехфазного тока напряжением 6-10 кВ. Оптимальный режим работы таких сетей, обеспечивающий их высокий коэффициент полезного действия, определяется симметричными системами линейных и фазных напряжений. Уровень симметричных составляющих этих напряжений является одним из основных показателей качества электроэнергии.

Согласно ГОСТу (1.4.109-87 Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения) основными показателями качества электроэнергии являются:

- величина, характеризующая отклонение напряжения от номинального;

- величина, характеризующая несиккетрига системы линейных напряжений.

Эти показатели определяются напряжениями соответственно прямой и обратной, последовательности. Для выполнения рекомендаций ГОСТа необходимо наличие организационного механизма, определяющего способы контроля за состоянием качества электроэнергии. Такой контроль должен осуществляться с помощью специальных приборов.

Однако, в настоящее время разработка и освоение серийного производства приборов для измерения показателей качества электрической энергии продолжает оставаться важной научно-технической народнохозяйственной проблемой. Несмотря на наличие многочисленных и разнообразных приборов для измерения коэффициентов несимметрии, совершенствование существующих методов измерения и создание соответствующих приборов, контролирующих уровень напряжений симметричных составляющих в сетях электроснабжения, представляет интерес для теории и практики повышения качества электроэнергии.Поэтому разработка методов измерения симметричных составляющих линейных и фазных напряжений сетей 6-10 кВ и

па ее основе создание надежных в писстых устройств непрерывного контроля показателей качества электрической энергии является актуальной научной задачей.

Цель работы. Установление общих аналитических зависимостей между модулями линейных и фазных напряжений в произвольной несимметричной трехфазной системе, вывод формул для модулей симметричных составляющих линейных и разных напряжений, получение зависимости модуля напряжения п метения нейтрали от линейных и фазных напряжений, необходимых для создания современных приборов и устройств контроля показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения 6-10 кВ.

Основная идея работ' заключается в том, чтобы используя выведенное формулы для модулей симметричных составляющих напряжений и возможности вычислительной микропроцессорной техники, создать эффективные устройства непрерывного контроля качества электрической энергии в системах электроснабжения 6-10 кВ.

Научные положения, разработанные лично автором, и новизну

- предложена классификация методов измерения симметричных составляющих напряжений;

- установлена аналитическая зависимость между модулями линейных и фазных напряжений трехфазной системы, отличающаяся

тем, что учтена асиммэтрш атах .напряжений в самом общем виде)

- проведен строгий вывод'аналитических зависимостей модулей нацряжений прямой и обратной последовательностей от

из дулей линейных напряжений трехпроводных сетей систем электроснабжения;

- выведена общая формула для напряжений нулевой последовательности, учитывающая несимметрию напряжений источника и нагрузки;

- выведена общая форцула для напряжения смэщания нейтрали, учитывающая несимметрию напряжений источника и нагрузки;

- выведена формула для оценки погрешностей ори юсвенных измерениях модулей нацряжений симметричных составляющих.

Обосноваянсютъ и достоверность научных положений, выводов и рекомендац й. сформулированных в диссертации, подтверждаются строгостью математических выкладок, корректным использованием апробирован!"« практикой методов теории электрических цепей, высокой степенью сходимости результатов э"спяриментов,

- Р-

проводившихся в лабораторных условиях (погрешность не превышает 6%), с результатами теоретических расчетов.

Научное значение работы заключается в том, что разработанная методика вывода формул для модулей линейных и фазных напряжений в несимметричных системах, а также модулей юс симметричных составляющих является дальнейшим развитием теории метода симметричных составляющих расчета трехфазных электрических цепей.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке методики расчета элементов фильтров симметричных составляющих на операционных усилителях}

- в разработке теоретически обоснованных устройств непрерывного (автоматического) контроля качества электрической энергии сетей электроснабжения. 6-10 кВ с использованием активных фильтров;

- в рекомендациях по созданию устройств автоматического контроля качества электрической энергии, основанных на косвенном методе измерения модулей симмэтричяых составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей, использующих полученные теоретические зависимости;

- в разработке устройства периодического контроля качества электрической энергии в сетях 6-10 кВ с использованием фазометров;

- в разработке программ для расчета симметричных составляющих на микрокалькуляторах по полученным в работе формулам.

Реализация выводов и рекошндатай работы. Материалы исследований использованы Московским ордера Трудового Красного Зпа-мзни горным институтом (МГИ) в соответствии с планом госбюджетных работ, проводимых кафедрой электротехники. Теоретические и методические результаты используются на кафедре электротехники МГИ при чтении специальных разделов курса по дисциплине ТОЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на расширенных научных семинарах кафедры электротехники МГИ ( 1989, 1990, 1991 и?. ).

Публикации. По результатам вь.олненных исследований опубликована статья.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 20 рисунков, список литературы, включающий в себя Ц5 найме:'.ований работ советских и зарубежных авторов, и приложение. Общий объем 120 страниц .

Работа выполнена в течении 1984-1991 гг. на кафедре электротехники МГИ.

Автор выражает свою глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Е.Ф. Цапенко за научную и методическую помощь, поддержку и внимание, оказанные на протяжении всего периода работы над диссертацией, а также признательность коллективу кафедры электротехники за доброжелательное содружество.

основное содейшие работы

в первой главе приведен анализ существующих методов измерения симметричных составляющих напряжений электрических сетей. в соответствии с предложенной автором классификацией многочисленные разработки по измерению симметричных составляющих разделены на:

- измерения при помощи пассивных фильтров;

- измерения при помощи активных фильтров;

- косвенные методы измерения.

Аналитический анализ практически всех известных схем пассивных фильтров по.зволил сделать вывод о том, что для их практической реализации требуются идеальные реактивные элементы (катушки, конденсаторы) и резисторы. При этом катушки должны ' йыеть сравштельно большую индуктивность,; это связано с увеличением их габаритов, либо применениалкатушек с железными сердечниками, что, как известно.делает электрическую цепь нелинейной, а следовательно, приводит к увеличению погрешности измерения.

Более перспективными являются устройства, основанные на применении активныл фильтров, использующих полупроводниковые операционные усилителг. Однако в настоящее время они ю нашли практи-

ческого применения в устройствах качества электрической энергии из-за большой погрешности измерения, обусловленной необходимость» трансформации напряжения сетей от нескольких киловольт до десятка вольт.

Косвенные методы измерения заключаются, как известно, в измерении вспомогательных величин с последующим расчетом по формулам искомых величия. И в этом состоит их главное достоинство, та^ как в данном случав вспомогательными величинами являются напряже-. ния сети, гзмерение которых не представляет особых затруднений. Однако, как показал анализ, в настоящее время на этом довольно перспективном принципа устройства контроля качества электроэнергии не разработаны. К тому же расчетные формулы, выражающие модули симметричных составляющих напряжений трехфазной сети, в разных источниках приведены г различных фордах, часто очень громоздких, с трудно проверяемым выводом или. вообще, без него. Поэтому, автор диссертации счел необходимым разработать свою строчную и рациональную методику, позволяющую получать простые и вместе с тем общие зависимости модулей напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей от модулей действующих напряжений сети.

Знакомство с технической литературой по средствам измерения показателей качества электрической энергии показывает, что отечественная промышленность не наладила выпуск указанных приборов. С 1985 г. Нитомирским ПО "Электроизмериталь" начат серийный выпуск измерителей несимметрии 43204, который из-за исключительной и совершенно- необоснованной сложности схемы не нашел практического применения и уже в 1989 году был снят с производства.

На основании изложенного были сформулированы задачи исследования, основными из которых являются следующие:

- разработка общей методики вывода формул связи модулей линейных и фазных напряжений между собой и с модулями напряжений составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей;

- разработка методики расчета погрешностей при косвенных измерениях напряжений в трехфазной сети;

- разработка принципиальных схем устройств непрерывного и периодического контроля симметричных составляющих несимметричных напряжений трэхйазяых сетей до 10 кВ.

Во второй главе приведен вывод пшисимостей между модулями напряжений и их составляющих, которые принято выделять в произвольных несимметричных трехфазных электрических сетях.

На рис. I приведена векторная диаграмма напряжений несимметричного режима работы трехфазной сети.

Показано, что модуль линейного напряжения выражается через модули пяти остальных напряжений;

Чг & Ч-Щг (Ф^-ЦЖ+Ч2- *

* ЯГ >

^ * . '

а модуль фазного напряжения

- 4? '

<I)

Чтобы получить аналогичные представления для квадратов модулей линейных напряжений 1/ав , Уве, достаточно в формуле (I) сделать круговую перестановку букв в инденсэх, ю есть по правилу

С — А

А —» В — С;

В —

Полученная формула (I) свидетельствует о том, что для полього ав ливв работы сети достаточно провести пять намерений, в шестое напряжение определить . расчетшш путем. С другой стороны, форыугой можно пользоваться цпь контроля и призерьи самого процесса измерения.

Рис. I

Выражения для модулей составляющих прямой и обратной последовательностей линейных напряжений имеют вид:

и л1/г+1/г+1/2+ л[Т• чЛ 1/*(/*-(и*+ иг-(/г)г , ( 2 )

Уо \ ** вс & * у "а ¿¡с ас са ) ■>

• (з)

Выведена следующая связь между составляющими прямой и обратной ила2 последовательностей линейных напряжений и составляющими прямой 1/л, и обратной последовательностей фазных напряжений:

где

Отсюда штекает связь между их модулями:

1Г = л/Г I/ . I/ =л& V .

у г У" "ф/ > у "<Р2

Следовательно, соотношения между симметричными составляющими фазных и линейных напряжений являются такими же, как и соотношения между действительными фазными и линейными напряжениями сети. Из этого следует, что, найдя тем или иным)спослбом симметричные составляющие линейных напряжений, представляется возможность рассчитать соответствующие симметричные составляющие фазных напряжений, и наоборот.

На основании сказанного формулы для расчета напряжений прямой и обратной последовательности фазных напряжений получим из (2) и (3). Имеем

Для модуля составляющей напряжения нулевой последовательности в работе получено уравнение.'

V = -1 №

т/У- 1/ьг2-{1/*+ '

у Ае ее СА 1 у ^ "а вс {Чм ее ел/ '

' у аз Гае са г '^Чи ее ( а» ее ел/

Для модуля составляющей напряжения нулевой последовательности фазных напряжений найдено компактное представление

В случае, когда система линей"ых напряжений сигялэтрична, т.е. когда = 1/ас = Ц"СА = 1УЛ , модуль напряжения нулевой последовательности принимает вид

Варной характеристикой работы и контроля систеш электроснабжения является напряжение смещения нейтрали. Так как непосредственное измерение его часто бывает недоступнш, . то весьма существенное значение приобретают расчетные фор.да и, по которым можно вычислить значение модуля этого напряжения через измеренные модули фазных и линейных напряжений.

На рис. 2 представлена общая схема трехпроводной сети.

/у

е

-е

в

к

&

V,,

вс

1Гг

са

ия

к

/У

к

Рис. 2

\

В самом общем случае несимметричного трехфазного источника и несимметричной трехфазной нагрузки напряжение смещения нейтрали Ц"л. представляет собой разность напряжений нулевой последовательности фазн1х напряжений источника и нулевой последовательности 1/0 фазных напряжений нагрузки, т.е.

Уг=£о-у;о .

Для модуля этого напряжения через модули напряжений

цепи выведена следующая общая формула:

В случае, когда фазные напряжения источника равны по величине (Ел = Ее = Уф ), эта формула несколько упрощается:

В случае симметричной нагрузки

напряжение смещения нейтрали будет совпадать с напряжени-

ем нулевой последовательности £0 несимметричного источника. Поэтому напряжение может служить средством для измерения

и контроля напряжения . Модуль при этом записывается

так:

чо-

В третьей главе рассмотрены вопросы оценки погрешностей косвенного метода измерения симметричных составляющих.

Показано, что:

I) относительная погрешность косвенного измерения модуля фазного напряжения 1/с , вносимая формулой (I), и относительная погрешность непосредственного измерения того же напряжения, связаны соотношением

АМУС Л 1/с

с = 3,87 г

1/с 1/с

где А 1/с и Д 1/с - абсолютные погрешности соответственно

косвенного и непосредственного измерений; 2) относительная погрешность косвенного измерения модуля напряжения прямой последовательности , вносимая формулой (2), и относительная погрешность напосродственного измерения модуля одного из линейных напряжений (напршлэр, ), связаны соотношением

Л / 1 ¿¿^

ц ( 6 % ; к*

где и А - абсолютные погрешности измерения модулей

напряжения прямой последовательности и линейного напряжения; 3) абсолютная погрешность косвенного измерения модуля напряжения обратной последовательности 1/г , вносимая формулой (3), и абсолютная погрешность непосредственного измерения модуля линейного напряжение, связаны так

¿1/2 = т/Т¿¿/ ;

4) абсолютная г эгрешность косвенного изменения модуля напряжения составляющей нулевой последовательности 1/а фазных на-п.мженг^, вносимая формулой (4), вычисляется как

¿и0= 1,35 ,

где 1/^ - модель номинального значения линейного напряжения, а

- ■//-

А V - абсолютная погрешность измерения модулей линейных и фазных напряжений, действующих в трехфазной сети.

В третьей главе получена такие интересная приближенная формула для коэффициента неоюя.ютрли

"чг ¿г '

который является важным показатола.1 качества электроэнергии. Эта формула записывается так

ц вл £с\ вс сл/ са ( га ав/

Она получена в предположении г,-.злости величин

УЛ

У/с+Ус* 2

1/г

и учитывает их второй порядок, г-'с есть точность ее очень высока.

Чотвертая глава посаиена разработке устройств контроля симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей л.шейных и фазных налрякенкй сетей 6-10 кВ.

Разработано устройство непрерывного контроля симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей с использованием активных фильтров и дана методика расчета элементов операционных усилителей этих фильтров, а также предложена схема подключения активных фильтров к контролируемой сети для измерения прямой и обратной последовательностей линейных напряжений (рис. 3).

В работе показана возможность построения устройств непрерывного контроля симметричных составляющих напряжений по принципу автоматизации косвенных методов измерения, предложенного проф. Е.Ф. Цапенко в /98/ году. Приведена функциональная схема устройства, использующего формулы модулей линейных напряжений сети, полученные в диссертации.

сеть <5x3

Рис. 3

Автором разработано простое устройство периодического контроля, позволяющее на основании измерений вольтметрами и фазометром рассчитать прямую и обратную составляющие несимметричных линейных напряжений трехфазных сетей 6-10 кВ. В устройстве предусмотрен программируемый микрокалькулятор, для которого составлена программа вычислений указанных симметричных составляющих.

- 1Ь -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дассертационнзй работе каш швов решение актуальной научной задачи, состоящей в разработке методов косвенных измерений симметричных составляющих несимметричных линейных в фаз них напряжений, позволяющих создавать элективные устройства контроля показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения 6-10 1®. г<

Основные выводы ю работе (аиаючаатся в следующем:

1. Ьыполненный на основе предложенной классификации анализ известных схем пассивных к активных фиьтров симметричных составляющих показал неприемлемость их для создания эффективных устройств непрерывного (авмшгцчесюго) контроля основных показателей качества электрической энергии.

2. Для разработки . . современных устройств непрерывного контроля показателей качества электрической энергии предлагается использовать принт сип автоматизации косвенных методов намерения симметричных составляющих линейных и фазных напряжений о применением какролроцессорной техники.

3. Контроль процесса измерения моделей линейных в фазных напряжений для определения юдулей пх симметричных составлящих предлагается проводить по установленном в работе зависимостям между кесшлетричныьш линейными и фазнша напряжениями.

4. Оценку погрешности юсвешшх измерений мшетртчшк сс -ставляощих прямой, обратной и нулевой последовательностей необходимо проводить по приведенным в работе формулам, полученным на основе строгих математических положений.

5. Повышение точности косвенного измерения напряжения нулевой последовательности ю»ет быть достигнуто путем применения полученных в работе формул, в состав которых входят все шесть напряжений С .три линейных к три фазных ) несимметричной трехфазной системы, а не пять,как это применяется в настоящее время.

6. Для присоединения к сета 6-10 нВ фмьтров симметричных составляющих, работающих на операционных усалит елях, возможно использование прокалиленных измерительных .трансформаторов напряжения типа НГШ с измененной схемой соединения обшток.

- <ч-

7. Щи разработке устройств для периодических (инспеетор-ских) измерений симметричных составляющих линейных напряжений сети 6-10 хВ такхе^ак и для автоматического контроля, рекомендуются юовенные методы измерения с щшенением програмшруе-iшх микрооВЫ.

ПУБЩА1Щ Ю TEJS ЛШССЕР1А1ЩИ

I. Цапенко £.0., Инио Каыаиь. Контроль симметричных составляющих линейных напряжений сетей 6-Ю кВ // Энергетика ... (Изв. внеш. учеб. заведений). - 1991. - J« 5. - С.47-50.