автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Определение области допустимых несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1 кВ

Введение.

Глава 1. Несимметричные режимы систем промышленного электроснабжения.

1.1. Основные положения теории несимметричных режимов.

1.2. Схемы замещения и уравнения режимов отдельных симметричных составляющих.

1.3. Схема замещения и уравнения режима прямой последовательности.

1.3.1. Моделирование системы промышленного электроснабжения.

1.3.2. Обобщенные параметры режима для разных иерархических уровней системы промышленного электроснабжения.

1.3.3. Оптимизация расчета режимов.

1.4. Схема замещения и уравнения режима обратной последовательности.

1.5. Схема замещения и уравнения режима нулевой последовательности.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. Комплекс программ для расчета несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ.

2.1. Особенности моделирования несимметричных рабочих режимов в СЭС до 1 кВ.

2.1.1. Подключение однофазных нагрузок на междуфазные напряжения электрической сети.

2.1.2. Подключение однофазных нагрузок на фазные напряжения электрической сети.

2.2. Программная реализация расчетов установившихся несимметричных режимов в произвольной СЭС до 1 кВ.

2.2.1. Характеристика комплекса расчетных программ UNSR 04.

2.2.2. Описание комплекса расчетных программ для исследований установившихся несимметричных режимов в произвольной СЭС до 1 кВ.

2.2.3. Описание комплекса сервисных подпрограмм для подготовки исходных данных.

2.3. Особенности моделирования неполнофазных режимов в СЭС до 1кВ.

2.3.1. Алгоритм расчета составляющей обратной последовательности.

2.3.2. Алгоритм расчета составляющей нулевой последовательности.

2.3.3. Алгоритм расчета составляющей прямой последовательности.

2.4. Программная реализация расчетов установившихся неполнофазных режимов в произвольной СЭС до 1кВ.

2.4.1. Характеристика комплекса расчетных программ NPFR04.

2.4.2. Описание комплекса расчетных программ NPFR04 для исследований установившихся неполнофазных режимов в произвольной СЭС до 1кВ.

2.4.3. Описание комплекса сервисных подпрограмм для подготовки исходных данных.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Расчетно-экспериментальные исследования и анализ несимметричных режимов в СЭС до 1кВ.

3.1. Характеристика схем СЭС до 1кВ для расчетно-экспериментальных исследований несимметричных и неполнофазных режимов.

3.2. Определение допустимых по нормам качества электрической энергии несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ.

3.2.1. Несимметричные режимы в расчетных схемах системы электроснабжения АООТ «Воскресенские минеральные удобрения» и их последствия.

3.2.2. Неполнофазные режимы и их последствия в системе электроснабжения цеховой подстанции

АООТ «Воскресенские минеральные удобрения».

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Ограничение и устранение последствий несимметричных режимов в СЭС до 1кВ.

4.1. Методы повышения качества электроэнергии при несимметричных режимах работ систем электроснабжения до1кВ.

4.2. Применение симметрирующих устройств для устранения несимметрии напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий до 1кВ.

4.3. Общая теория синтеза симметрирующих устройств для устранения поперечной несимметрии в СЭС до 1 кВ.

4.3.1. Компенсация токов нулевой последовательности от несимметричной нагрузки посредством симметрирующего устройства в СЭС до 1кВ.

4.3.2. Методы симметрирования режимов СЭС до 1кВ по мощностям несимметричных нагрузок.

4.4. Выводы по главе 4.

Обзор публикаций по теме диссертации Каждое промышленное предприятие находится в состоянии непрерывного развития: вводятся новые производственные мощности, улучшается использование существующего оборудования или старое оборудование заменяется новым, более производительным и мощным, повышается производительность труда, изменяется технология и т.д. Система электроснабжения промышленного предприятия (от границы раздела предприятие энергосистема до единичного электроприемника) должна быть гибкой по структуре, допускать постоянное развитие технологии, рост мощности предприятия и изменения производственных условий [68, 106, 128].

Требования гибкости предъявляются ко всему промышленному предприятию: строительной части, основному технологическому и вспомогательному оборудованию, системам электроснабжения, водоснабжения и т.д.

Основные задачи, решаемые при проектировании, сооружении и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий, заключаются в оптимизации параметров этих систем путем правильного выбора большого ряда параметров.

Надежность работы электрической системы и ее отдельных составляющих во многом зависит от того, насколько правильно и полно учтены опасные проявления возникающих в ней режимов, которые могут быть вызваны как случайно, так и преднамеренно. Познание их необходимо, прежде всего, чтобы предотвратить возникновение опасных режимов и выработать меры по борьбе с их вредными последствиями. Чем глубже проникновение в природу этих процессов, тем достигается большая возможность сознательного управления ими [11, 35, 103, 107].

Цеховые электрические сети (сети напряжением до 1 кВ) являются важнейшим звеном в системе электроснабжения и представляют собой большую область в проектировании электрической части промышленных предприятий.

Основным назначением сети напряжением до 1 кВ на промышленных предприятиях является распределение электроэнергии внутри цехов и непосредственное питание большинства электроприемников, преобразующих электроэнергию в другие виды энергии [8, 69, 72].

На каждом промышленном предприятии имеются потребители электроэнергии, питающиеся от сети напряжением до 1 кВ. Такими потребителями являются силовой электропривод, электротехнологические и осветительные установки. Наиболее распространенными для цеховых электрических сетей являются напряжения 380 В (трех- и четырехпроводные системы с заземленной нейтралью) и 660 В.

Кроме требования экономичности, к цеховой электрической сети предъявляются требования надежности работы и возможности роста нагрузки, а также изменения мест расположения электроприемников на площади цеха.

Основные требования к цеховой электрической сети:

1) сечения проводов должны быть такими, чтобы исключить недопустимый для них перегрев и разрушение, как при нормальных, так и аварийных режимах, а также не допускать потерь электроэнергии, больше оправдываемых экономически;

2) конструктивное исполнение сетей должно быть с учетом влияния окружающей среды на проводники и исключения возможности их повреждения, а также удовлетворять требованиям, вытекающим из условий присоединения нагрузок при сооружении сети, ее эксплуатации и перспективным решении;

3) сеть должна обеспечивать на всех участках схемы минимально возможную длину проводников, простейшее соединение для резервирования и минимальные изменения при росте или перераспределение нагрузок.

Качества, обусловленные выполнением указанных в пп.2 и 3 требований, характеризуют цеховую сеть с точки зрения её универсальности и гибкости; они тем выше, чем меньше и проще переделки, связанные с перераспределением или ростом нагрузок на площади цеха [108].

Качество электрической энергии вместе с надежностью электроснабжения и его экономичностью является одним из важнейших требований, предъявляемых к системе производства, передачи и потребления электроэнергии. Интенсификация производства приводит к росту мощности нелинейных, несимметричных и резкопеременных (ударных) нагрузок на промышленных предприятиях. Все это обусловило существенное увеличение уровня электромагнитных помех в электрических сетях предприятий и энергосистем, которые, различаясь по своей природе, характеру изменения и интенсивности, оказывают неблагоприятное воздействие на силовые электроустановки, системы автоматики и телемеханики, связи и релейной защиты. В ряде случаев это приводит к снижению надежности электроснабжения, увеличению потерь электроэнергии, ухудшению качества и уменьшению количества выпускаемой продукции [5,44,55,57,58, 73,107]. В связи с этим при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения возникла проблема качества электроэнергии.

Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения определены в ГОСТ 13109-97 [38-41, 53].

Несимметрия напряжений является одним из основных показателей качества, в значительной мере определяющим экономичность и надежность электроснабжения [39, 53, 54, 65].

При наличии несимметрии напряжений и токов фаз возникает ряд нежелательных явлений: ухудшаются технико-экономические показатели работы этих сетей: происходит увеличение потерь мощности и энергии в элементах сети; недоиспользование мощности трансформаторов; неправильная работа устройств защиты и автоматики; перегрузка; дополнительный перегрев и, как следствие, ускорение износа электрооборудования, в частности двигателей и т.п.

Строго говоря, все используемые на практике многофазные системы работают в несимметричных режимах. Эксплуатация электрических систем показывает, что нагрузки и токи по фазам не одинаковы вследствие особенностей работы электроприемников, технологии производственных процессов, различия во времени включения однофазных потребителей.

Как правило, в указанных сетях наблюдается поперечная несимметрия, вызываемая подключением различного рода однофазных электротермических и других устройств на предприятиях различных отраслей промышленности. Значительно реже проявляется продольная несимметрия, когда в одном из элементов электрической сети произошел обрыв фазы и передача электроэнергии через этот элемент осуществляется по двум фазам.

Такие режимы могут существовать кратковременно и длительно. Кратковременные режимы обусловлены, как правило, возникновением и последующей ликвидацией коротких замыканий, пофазными отключениями и включениями выключателей и других коммутационных аппаратов.

Длительные несимметричные режимы существуют при работе отдельных элементов системы с неполным числом фаз (например, при пофазном ремонте или отключении поврежденной фазы линии и группы силовых трансформаторов), при постоянном различии параметров фаз элемента, при симметрировании режима с использованием устройств, которые сами являются несимметричными элементами.

Несимметричные режимы в системах электроснабжения до 1 кВ возникают из-за несимметрии электрических нагрузок, которая вызывается подключением либо однофазных потребителей электроэнергии, либо трехфазных с несимметричным потреблением мощности по фазам.

Несимметричные нагрузки, являясь потребителями токов и мощности прямой последовательности, одновременно представляют собой источники токов обратной и нулевой последовательности. Эти токи, протекая по элементам СЭС, вызывают в них падения напряжения, а, следовательно, и напряжения соответствующих последовательностей. От взаимодействия токов и напряжений отдельных последовательностей возникают искажающие потоки мощности обратного направления [21, 30, 114].

Поток мощности прямой последовательности направлен от электрических станций к потребителям. При наличии несимметричной нагрузки большая часть этого потока потребляется ею, преобразуется в другие виды энергии, а остальная преобразуется в искажающие потоки мощности обратной и нулевой последовательностей, имеющие противоположное направление от несимметричной нагрузки в СЭС (рис.В. 1).

Рис.В. 1. Схема распределения потоков мощности

Искажающие потоки мощности отражают потери мощности в элементах СЭС от протекания токов соответствующих последовательностей. Наибольшие искажающие потоки мощности и напряжения отдельных последовательностей имеют место на выводах несимметричной нагрузки и по мере удаления от нее уменьшаются.

Значительное распространение несимметричных нагрузок приводит к существенным нарушениям симметрии токов и напряжений в трехфазных электрических сетях, особенно распределительных.

Следствием несимметрии токов по фазам является «перекос» звезды вторичных напряжений распределительных трансформаторов и возникновение в режимах несимметричной нагрузки по фазам добавочных потерь.

Ухудшение качества электрической энергии - перекос «звезды» вторичных напряжений - отрицательно сказывается на работе световых электроприемников и двигателей, что приводит к резкому сокращению срока службы бытовых приборов и ламп накаливания на фазах с повышенным напряжением и вызывает увеличение потерь в двигателях [17,26,28,52,53,68].

Согласно ГОСТ 13109-97, отражающему требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения, действующие значения напряжений обратной и нулевой последовательностей не должны превышать 2% соответствующего номинального напряжения сети. Однако допускается превышение этой нормы до предельного значения 4% в течение не более 1ч 12мин. Помимо этого, независимо от степени несимметрии напряжения в СЭС для каждой из фаз сети должны соблюдаться нормы по отклонениям напряжения: в нормальном режиме они могут составлять ±5 %, а их предельные значения ±10 % от номинального напряжения сети.

Если несимметрия напряжения выходит за допустимые пределы, нарушается нормальная работа других электроприемников, присоединенных к той же сети, ухудшаются технико-экономические показатели систем электроснабжения потребителей.

Наиболее чувствительной к несимметрии является электродвигательная нагрузка. Синхронные и асинхронные двигатели имеют малое сопротивление обратной последовательности (сопротивление обратной последовательности электродвигателей в 5-8 раз меньше сопротивления прямой последовательности), поэтому даже небольшая несимметрия напряжения (1%) той же последовательности в СЭС вызывают значительную несимметрию токов в обмотках (7-9%). Токи обратной последовательности в двигателях накладываются на токи прямой последовательности и вызывают перегрузку отдельных фаз и, следовательно, дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. [22, 23, 27, 45, 94]. Известно, что при напряжении обратной последовательности, составляющем 4% номинального, срок службы асинхронных двигателей, работающих с номинальной нагрузкой, уменьшается примерно в 2 раза по сравнению с нормативным. Если же несимметрия напряжения по обратной последовательности составляет 5%, то располагаемая мощность двигателя уменьшается на 5-10%.

Несимметрия линейных напряжений вызывает изменение реактивной мощности, генерируемой батареями статических конденсаторов. При приращении мощности по сравнению с номинальной в наиболее загруженной фазе тепловые потери могут значительно превысить номинальное значение, что приведет к перегреву изоляции и снижению срока службы конденсаторов [114].

Нормы на качество электрической энергии определяют области допустимых несимметричных режимов в СЭС [22, 113, 132].

Следует отметить, что вопросы качества электроэнергии и электропотребления взаимосвязаны. Это объясняется тем, что при низком качестве электроэнергии появляются значительные погрешности, а в отдельных случаях невозможен правильный учет электроэнергии [9, 54, 65, 114].

Даже незначительные изменения показателей качества электроэнергии наносят ущерб, который в первую очередь касается таких ответственных потребителей, как автоматические системы управления технологическими процессами, компьютерные системы связи и обработки информации, которые занимают ведущее место на гибких автоматизированных производствах, где вычислительные машины и микропроцессоры используются в технологическом цикле [64, 81, 98, 104, 105].

Вычислительные машины чрезвычайно чувствительны к нестабильности питающего напряжения и информация, хранящаяся на ЭВМ, может быть потеряна. Это влечет за собой нарушение технологического процесса на предприятии и приводит к браку выпускаемой продукции.

На современных промышленных предприятиях количество и качество выпускаемой продукции зависит от надежности электроснабжения и качества электроэнергии [10, 15, 66, 77, 95, 96, 116, 130].

Актуальность проблемы качества электроэнергии объясняется не только научным, но еще и экономическим интересом, поскольку за ухудшение качества электрической энергии применяются разного рода санкции к виновникам искажений [25, 68, 110]

В комплексе мероприятий, направленных на повышение качества электрической энергии существенное значение уделяется вопросу устранения несимметрии напряжений и токов в электрических сетях промышленных предприятий. Решение этого вопроса позволит повысить надежность электроснабжения и снизить потери электроэнергии. Поэтому искусственное симметрирование и компенсация реактивной мощности несимметричной трехфазной нагрузки может дать определенный экономический эффект [1,82,85-88,106, 121-125].

Исследования показывают, что обе эти задачи могут быть успешно решены с помощью несимметричных установок поперечно-емкостной компенсации, т.е. таких, у которых величины емкостей по фазам неодинаковы. Такие трехфазные несимметричные конденсаторные установки могут не только компенсировать угловые сдвиги в каждой фазе, но и перераспределить нагрузку таким образом, что она станет одинаковой в каждой фазе.

Подобными несимметричными конденсаторными установками принципиально возможно осуществлять индивидуальную и групповую компенсацию однофазных приемников или централизованную со стороны питающего напряжения понизительных трансформаторов.

Таким образом представляется возможность осуществить симметрирование нагрузки с одновременной компенсацией реактивной мощности практически любого несимметричного режима подстанции.

При технико-экономическом анализе вопроса о симметрировании параметров режимов для цеховых сетей необходимо производить соответствующие расчеты. В настоящее время существуют некоторые упрощенные методы, которые могут быть использованы для оценки, например, мощности конденсаторов, используемых для симметрирования. Однако в ряде случаев должны проводиться более точные расчеты. Это касается в частности параметров симметричных нагрузок, которые присоединяются к тем же сетям, что и однофазные нагрузки [32, 46]. Ранее параметры этих нагрузок учитывались слишком упрощенно [121, 122]. Обычно симметричная нагрузка представлялась в виде комплексной нагрузки и замещалась сопротивлением обратной последовательности Z0. Такое представление симметричных нагрузок в схеме замещения сети было правомерным при анализе резко несимметричных режимов, например режимов несимметричных коротких замыканий. Однако при анализе нормальных режимов с относительно небольшой степенью несимметрии такое представление симметричных нагрузок в схеме замещения является неоправданным и требует уточнений [87].

Дополнительные задачи возникают в условиях эксплуатации. Требуется систематический контроль показателей несимметрии в промышленных сетях (как правило, этот контроль должен быть статистическим). Для полноценного использования дополнительных симметрирующих устройств и проведения всестороннего технико-экономического контроля текущего режима должна производиться специальная подготовка эксплуатационного персонала.

Для ряда установок уже приняты конкретные решения. Отдельные однофазные электротермические установки укомплектовываются специальными симметрирующими устройствами.

При достаточно большом количестве этих установок число симметрирующих устройств в одной и той же системе электроснабжения может получаться достаточно большим. Поэтому возникает задача оптимизации проектных решений с выявлением возможности выбора и установки симметрирующих устройств. При этом следует считаться с достигаемым экономическим эффектом.

Поэтому в настоящее время первостепенное значение приобретают вопросы разработки и исследования методов коррекции режимов, позволяющих повысить экономичность мероприятий по нормализации показателей качества электроэнергии при обеспечении оптимального функционирования всей системы электроснабжения в целом.

В условиях эксплуатации должен быть организован тщательный контроль за несимметрией напряжений и в случае необходимости должны приниматься меры для ее снижения.

Анализ материалов отечественной и зарубежной печати показал, что проблема несимметрии в сетях до 1 кВ имеет важное практическое значение. Согласно различным исследованиям [52, 76, 97, 99] имеются работы, в которых показано отрицательное влияние несимметрии на технологические процессы в производстве, на качество и количество выпускаемой продукции [6, 21,22, 74, 93].

Обследование сетей различных областей промышленности, проведенное в последнее время, позволило установить, что в большинстве случаев несимметрия напряжений по нулевой последовательности в СЭС до 1кВ превосходит значение 2%, допустимое согласно ГОСТ 13109-97 [66, 104,105].

Так в течение последних двух лет Испытательной лабораторией МЭИ по качеству электрической энергии совместно с Мособлгосэнергонадзором осуществлялся периодический контроль качества электроэнергии на соответствие требованиям ГОСТ 13109-97 в муниципальных электрических сетях Московской области [66]. Результаты измерений показали, что несимметрия напряжения по обратной последовательности в СЭС до 1 кВ превышает требования ГОСТ в 3% случаев. Гораздо хуже ситуация с несимметрией напряжения по нулевой последовательности. Требования ГОСТ не выполняются в 44% случаев.

Таким образом, возникает задача оценки несимметрии токов и напряжений (как при эксплуатации, так и при проектировании систем) в СЭС до 1 кВ и, в случае ее недопустимости, принятия специальных мер для нормализации параметров рабочих режимов. К таким мероприятиям относятся: применение помимо основного оборудования специальных симметрирующих устройств; изменение параметров элементов распределительных сетей (увеличение сечения проводов, изменение схемы соединения обмоток распределительных трансформаторов и т.п.) и др. [85-88, 106, 121-125].

Выбор наиболее целесообразных способов и средств нормализации параметров режима должен производиться на основании технико-экономического анализа. Исходные данные для такого анализа зависят от назначения сети, ее конструктивного выполнения, характера изменения нагрузок и т.п. [87, 92, 106, 121, 123, 124].

Существующие аналитические методы позволяют провести расчет сколь угодно сложной симметричной трехфазной цепи при наличии п сосредоточенных точек нарушения симметрии [19, 53]. Однако методы расчетов по проверке допустимости указанных режимов нуждаются в существенной доработке. В частности, необходимы уточнения в области учета схемы и групп соединений обмоток силовых трансформаторов, режима нейтрали и характера электрических нагрузок в электрических сетях до 1 кВ [23,111].

Рабочие режимы электрических сетей до 1 кВ, питающих как трехфазную, так и однофазную нагрузку, в общем случае несимметричны. Для выбора элементов сетей по нагрузочной способности, расчета потерь напряжения, определения потерь энергии и мощности в рабочих несимметричных режимах необходимо знать сопротивления элементов сетей токам прямой, обратной и нулевой последовательностей, характеризующим несимметричную нагрузку.

При расчете несимметричных режимов в электроустановках до 1 кВ представляет интерес схема нулевой последовательности, особенностью которой является наличие нулевого провода с заземляющими устройствами, а также несимметричное расположение проводов по отношению друг к другу [2,4,8,13,22,63,70-72,89,90,112,126].

Следует также отметить, что сопротивления нулевой последовательности элементов сетей до 1кВ в зависимости от влияющих на них факторов исследованы недостаточно.

Переменная во времени несимметрия напряжений обусловлена изменением режима нагрузок фаз сети. Она часто сопровождается появлением колебаний напряжений, а в ряде случаев и высших гармоник напряжений и токов. При этом может возникнуть задача об одновременном улучшении всех показателей качества.

Применение однофазных нагрузок часто сочетается с использованием нелинейных устройств, в основном вентильных преобразователей. В результате наряду с несимметрией напряжения основной частоты наблюдается также значительная несинусоидальность напряжения [6, 50].

При включении однофазной нагрузки на фазное напряжение возникает ток нагрузки нулевой последовательности, равный по значению току прямой последовательности. Утроенное значение тока нулевой последовательности протекает по нулевому проводу. При включении однофазной нагрузки на междуфазное напряжение ток нулевой последовательности не возникает.

Таким образом, вариант включения однофазной нагрузки на фазное напряжение характеризуется большими потерями мощности из-за протекания токов нулевой последовательности.

Область допустимых режимов несимметричных нагрузок можно оценивать по максимально допустимой однофазной нагрузке. Это объясняется не только тем, что она представляет худший случай несимметричной нагрузки, но и тем, что к ней может быть приравнена любая произвольная несимметричная нагрузка, обуславливающая негативные последствия из-за низкого качества электрической энергии [22, 27, 114].

Но вопрос несимметричных режимов в сетях до 1 кВ еще остается открытым и спорным. Проведенный анализ материалов отечественной и зарубежной печати показал, что проблема несимметрии в сетях до 1кВ имеет глобальный характер и важное практическое значение.

Поэтому в настоящее время первостепенное значение приобретают вопросы разработки и исследования методов определения области допустимых несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ.

Из вышесказанного видно, насколько актуальна проблема несимметрии токов и напряжений в электрических сетях промышленных предприятий.

Проведенный обзор и анализ литературы позволяет сделать следующие выводы:

1. Проблема несимметрии в СЭС до 1кВ имеет глобальный характер и важное практическое значение.

2. Несимметрия напряжений является одним из основных показателей качества электроэнергии, в значительной мере определяющим экономичность и надежность электроснабжения. Однако до последнего времени вопрос несимметрии напряжений в системах электроснабжения до 1кВ обсуждался весьма редко. Обследование сетей низкого напряжения, проведенное в последнее время, позволило установить, что во многих случаях несимметрия напряжений по нулевой последовательности превосходит значение 2 %, допустимое согласно ГОСТ 13109-97.

3. Вопросы допустимых несимметричных нагрузок и оптимизация расчетов неполнофазных режимов в СЭС до 1кВ еще нуждаются в существенной доработке.

Из анализа этих выводов следует, что проблема рабочих и аварийных несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1 кВ до конца не разрешена и требует дополнительных исследований.

Актуальность темы

Несимметричные режимы характеризуются наличием составляющих токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей, которые приводят к следующим неблагоприятным последствиям:

1. Появляется опасность перегрузки трехфазных электрических двигателей токами обратной последовательности. Синхронные и асинхронные двигатели имеют малое сопротивление обратной последовательности. Даже небольшие по значению напряжения обратной последовательности в СЭС могут вызвать существенные токи обратной последовательности в двигателях, которые, накладываясь на токи прямой последовательности, вызывают токовую перегрузку отдельных фаз двигателя и, следовательно, дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя [83, 109];

2. Появляются дополнительные потери активной мощности и электрической энергии, обусловленные протеканием токов обратной и нулевой последовательностей в элементах СЭС до 1 кВ [56, 93, 114];

3. За счет потерь напряжения от токов обратной и нулевой последовательностей появляются дополнительные отклонения напряжения в отдельных фазах СЭС до 1 кВ, которые не устраняются обычными (трехфазными) средствами регулирования напряжения [23, 50].

Обследование сетей различных областей промышленности, проведенное в последнее время, позволило установить, что в большинстве случаев несимметрия напряжений по нулевой последовательности в СЭС до 1кВ превосходит значения 2%, допустимое согласно ГОСТ 13109-97 [66, 104, 105].

Нормы на качество электрической энергии определяют область допустимых несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ, которую можно существенно расширить путем использования симметрирующих устройств. Теоретически, при любой несимметрии нагрузок в СЭС до 1 кВ, можно синтезировать симметрирующее устройство, состоящее из индуктивных и емкостных элементов, которое полностью устранит несимметрию напряжения. Однако симметрирующие устройства не нашли сколь-нибудь широкого применения, поскольку несимметрия в СЭС как правило нестационарна, а регулируемые симметрирующие устройства сложны, дороги и являются источником несинусоидальных токов [82, 85-88, 106, 121-125].

Поэтому представляет несомненный интерес определение области допустимых несимметричных режимов в зависимости от структуры СЭС до 1 кВ, от характера электрических нагрузок, от схем и групп соединения обмоток трансформаторов, от режима нейтралей трансформаторов [22, 24, 61].

Неполнофазные режимы относятся к аварийным, но, как правило, не выявляются средствами релейной защиты, и поэтому могут быть длительными [27, 31, 47, 113, 119]. В практике эксплуатации СЭС до 1 кВ известны случаи, когда из-за неполнофазных режимов выходили из строя десятки и сотни электрических двигателей. Поэтому представляет интерес исследование последствий неполнофазных режимов в зависимости от структуры СЭС до 1 кВ, от состава электрических нагрузок, от режима нейтралей трансформаторов и коэффициента загрузки двигателей.

Сложности математического моделирования несимметричных режимов обусловлены тем, что оно должно отражать систему электроснабжения произвольной конфигурации, структуры и состояния, при любом месте возникновения продольной или поперечной несимметрии в СЭС до 1 кВ.

Обзор научных публикаций по выбранной тематике показал, что до последнего времени вопрос несимметрии в системах электроснабжения до 1 кВ обсуждался весьма редко. Вопросы допустимых несимметричных нагрузок и оптимизация расчетов в СЭС до 1 кВ еще до конца не разрешены и требуют дополнительных исследований. Поэтому, тематику определения области допустимых несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ следует признать актуальной.

Цели и задачи диссертации

Основной целью диссертации является анализ основных закономерностей в последствиях несимметричных и неполнофазных режимов в СЭС до 1 кВ, а также определение области допустимых несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1 кВ.

Достижение конечной цели диссертации осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1. Разработка методики, математических описаний и программных средств для моделирования несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1кВ произвольной конфигурации и структуры, при любом месте возникновения продольной или поперечной несимметрии.

2. Определение области допустимых по нормам качества электрической энергии несимметричных установившихся режимов в зависимости от структуры СЭС до 1кВ, от состава и характера электрических нагрузок, от схем и групп соединения обмоток трансформаторов, от режима нейтралей трансформаторов.

3. Анализ основных проявлений и последствий неполнофазных режимов в СЭС до 1 кВ в зависимости от структуры сети, от состава электрических нагрузок, от режима нейтралей силовых трансформаторов и коэффициента загрузки двигателей.

4. Разработка рекомендаций по использованию средств и способов устранения или ограничению проявления последствий несимметричных режимов в СЭС до 1кВ.

Положения, выносимые на защиту

1. Пакеты прикладных программ «UNSR 04» и «NPFR04» для расчет-но-экспериментальных исследований несимметричных установившихся и аварийных неполнофазных режимов в произвольной системе электроснабжения до 1 кВ;

2. Основные закономерности в последствиях установившихся несимметричных режимов и, в частности, область допустимых по нормам качества электрической энергии несимметричных режимов в пространстве параметров пттпргтеттятпттттту CTrivrrrvrw сети гостят» w хяпяктеп чтгектпштестгт^х нягтппкj--,—,-1—^--<---"Г J---J Г J -----3--J--— — *--Г----1 -------Г--------^---Г J----> схемы и группы соединения обмоток и режим нейтралей трансформаторов в СЭС до 1 кВ;

3. Основные закономерности в последствиях неполнофазных режимов в зависимости от структуры СЭС, состава электрических нагрузок, от режима нейтралей силовых трансформаторов и коэффициента загрузки двигателей.

4. Анализ способов и средств для устранения или ограничения проявлений последствий несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ.

Научная новизна

Научная новизна положений, выводов и заключений диссертации определяется следующим:

1. Разработаны методики и пакеты прикладных программ «UNSR 04» и «NPFR 04» для моделирования несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1кВ произвольной конфигурации и структуры, при любом месте возникновения продольной или поперечной несимметрии.;

2. Выявлены закономерности проявления последствий от несимметричных режимов вызванных несимметричными нагрузками в пространстве основных значимых параметров СЭС до 1 кВ. В частности определена область допустимых по нормам качества электрической энергии несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ.

3. Выявлены закономерности проявления последствий от неполнофаз-ных режимов в пространстве основных значимых параметров СЭС до 1кВ.

Практическая ценность работы и ее реализация

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Комплексы расчетных программ могут быть рекомендованы для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследований несимметричных режимов, вызванных несимметричными нагрузками и неполнофазными режимами в любых системах электроснабжения до 1 кВ;

2. Результаты исследований несимметричных режимов могут быть использованы при проектировании систем электроснабжения с несимметричными нагрузками.

3. Результаты исследований неполнофазных режимов могут быть использованы для правильной настройки релейной защиты и противоаварийной автоматики от неполнофазных режимов.

4. Результаты диссертационной работы могут использоваться в учебном процессе в УНИР, дипломном проектировании, магистерских работах.

Достоверность результатов исследований и использованные методы

Достоверность результатов исследований подтверждается следующим: корректностью исходных посылок; корректным использованием апробированных математических моделей элементов СЭС до 1кВ; хорошим совпадением результатов расчетно-экспериментальных исследований с различными данными наблюдений последствий реальных несимметричных и неполнофазных режимов в СЭС до 1 кВ; хорошим объяснением результатов расчетно-экспериментальных исследований физикой несиммеричных режимов.

Правильность полученных аналитических выражений подтверждается решением ряда стандартных численных примеров, результаты которых совпадают с результатами аналогичных примеров, приведенных в литературе.

В процессе исследований активно использовались: методы расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов в СЭС; численные методы решения систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений; теория функций комплексных переменных.

Публикации и апробация результатов работы Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 6 публикациях в научно-технических журналах и материалах конференций.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 168 страниц основного текста, 47 иллюстраций и список использованной литературы, включающий 134 наименования.

4.4. Выводы по главе 4.

1. В настоящее время для устранения несимметрии напряжений применяются специальные симметрирующие устройства (СУ), которые позволяют устранить токи обратной и нулевой последовательности.

В системах электроснабжения до 1 кВ наибольшее применение нашел компенсационный способ симметрирование, основанный на компенсации тока (напряжения) нулевой и обратной последовательностей с помощью специального СУ.

154

2. В данной главе рассмотрены нерегулируемые симметрирующие устройства для компенсации токов нулевой последовательности в СЭС до 1 кВ.

Рассмотрены проблемы симметрирования и математически обоснованы аналитические выражения в теории симметрирвования, которые позволяют определить параметры симметрирующего устройства для компенсации токов нулевой последовательности в СЭС до 1 кВ с общих позиций и осуществлено симметрирование по следующим величинам:

- токам нулевой последовательности,

- действительным токам нагрузки,

- проводимостям нагрузки,

- активным и реактивным мощностям нагрузки.

Для иллюстрации применения полученных результатов рассмотрены частные случаи синтеза параметров симметрирующих устройств по полученным аналитическим выражениям, которые подтвердили правильность результатов.

Заключение

1 .Разработана методика и комплекс расчетных программ UNSR 04, предназначенные для расчетно-экспериментальных исследований несимметричных режимов в произвольной СЭС до 1 кВ, вызванных подключением несимметричных нагрузок в любом из узлов нагрузки СЭС.

2. В пространстве параметров определена область допустимых по нормам качества электрической энергии установившихся несимметричных режимов в системах электроснабжения до 1 кВ.

Область допустимых несимметричных режимов в СЭС до 1 кВ можно оценивать по максимально допустимой однофазной нагрузке. Это объясняется не только тем, что она представляет худший случай несимметричной нагрузки, но и тем, что к ней может быть приравнена любая произвольная несимметричная нагрузка.

Область допустимых режимов однофазной нагрузки по обратной последовательности зависит от характера нагрузки в СЭС, от удаленности места подключения несимметричной нагрузки и сечения жил питающего кабеля. Однако ввиду того, что максимально допустимая однофазная нагрузка для напряжений обратной последовательности составляет в среднем более 20% от номинальной мощности питающего трансформатора, то особых проблем с несимметрией напряжений по обратной последовательности в цеховых СЭС до 1 кВ не возникает.

Область допустимых режимов однофазной нагрузки по нулевой последовательности зависит от схемы соединений обмоток трансформатора цеховой подстанции, от удаленности места подключения несимметричной нагрузки и сечения нулевой жилы питающего кабеля. Максимально допустимая однофазная нагрузка для напряжения нулевой последовательности в среднем составляет от 1,3 до 23% номинальной мощности питающего трансформатора, а это практически в десять раз меньше, чем для напряжения обратной последовательности.

Поскольку напряжение нулевой последовательности не оказывает влияние на работу трехфазных потребителей, а для однофазных потребителей нормы по отклонениям напряжения должны выполняться независимо от несимметрии напряжения уместно поставить вопрос об исключении нормирования напряжения нулевой последовательности.

3. Разработана методика и комплекс расчетных программ NPFR 04, предназначенные для расчетно-экспериментальных исследований последствий неполнофазного режима, вызванного обрывом фазы в любом из элементов произвольной СЭС до 1 кВ.

4. Основным фактором, определяющим объем неблагоприятных последствий от неполнофазных режимов в системах электроснабжения промышленных предприятий до 1 кВ, является коэффициент загрузки двигателей по активной мощности. Так при случае неполнофазного режима, в котором коэффициенты загрузки АД увеличены до 0.8, наблюдается увеличение токовой нагрузки по прямой последовательности до 41%; по обратной последовательности до 17%; максимально токовой нагрузки до 7% по сравнению со значениями при базовых коэффициентах загрузки двигателей.

5. Рассмотрены нерегулируемые симметрирующие устройства для компенсации токов нулевой последовательности в СЭС до 1 кВ.

Математически обоснованы аналитические выражения в теории симметрирования, которые позволяют определить параметры симметрирующего устройства для компенсации токов нулевой последовательности в СЭС до 1 кВ и осуществить симметрирование по следующим величинам:

- токам нулевой последовательности,

- действительным токам нагрузки,

- проводимостям нагрузки,

- активным и реактивным мощностям нагрузки.

1. Аввакумов В.Г. Симметрирование и компенсация реактивной мощности несимметричных промышленных нагрузок// Промышленная энергетика. 1967. №7. -с.35-38.

2. Андреев В.А., Шишикин В.Ф., Дубов А.Л. По поводу статьи «К вопросу о сопротивлениях нулевой последовательности ВЛ 0,4кВ» // Промышленная энергетика. 1989. № 7. с. 52-54.

3. Андреев В.А., Шишин В.Ф. О новом ГОСТ 28 249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ» //Промышленная энергетика. 1995. № И. с.31-36.

4. Андреев В.А., Шишкин В.Ф., Дубов А.Л. Методика определения параметров схемы нулевой последовательности воздушных линий 0,38 кВ // Промышленная энергетика. 1990. № 8. с.26-27.

5. Апполонский С.М., Вилесов Д.В., Воршевский А.А. Электромагнитная совместимость в СЭС // Электричество. 1991. № 4. с. 1-6.

6. Арриллага Дж., Бредли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах.-М.: Энергоатомиздат, 1990.-320с.

7. Ашкрофт Дж., Элдридж Р., Полсон Р., Уилсон Г. Программирование на ФОРТРАН 77. М.: Радио и связь, 1990. - 273с.

8. Беляев А.В. Выбор аппаратуры защит и кабелей в сетях 0,4 кВ. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 172с.

9. Бибер Л.А., Никифорова В.Н., Рашкес B.C. Проблемы нормирования и метрологического обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования потребителей с сетью энергосистемы // Электротехника. 1989. №8.-с.27-33.

10. Бибер Л. А., Никифорова В.Н., Евлапов А.И. и др. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения РД34.15.501.88. -М.: СПО Союзтехэнерго,1990.-71с.

11. Борисов В.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических установок. Киев: Наукова думка, 1976. -с.3-14.

12. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968. -266с.

13. Вагин Г.Я., Чечков В.А. Расчет токов короткого замыкания в распределительных сетях до 1 кВ // Промышленная энергетика. 1985. № 12. с.25-28

14. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. Л.: ОН ТИ НКТП СССР, 1936. - 407с.

15. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций. М.: Энергия, 1980.-608с.

16. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1978. - 415с.

17. Веников В.А., Идельчик В.И., Лисеев М.С. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -213с.

18. Вольдек А.И. Электрические машины. 2-е изд., перераб. и доп. J1.: Энергия, 1978. - 832с.

19. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах / Под ред. Петрова А.В. М.: Высшая школа, 1984. - 320с.

20. Галанов В. П., Галанов В. В. О влиянии нелинейных и несимметричных нагрузок на качество электрической энергии // Промышленная энергетика. 2001. №3. с.46-49.

21. Галкин В.Д. Измерение несимметрии напряжений в трехфазных сетях // Промышленная энергетика. 1977. №5. с. 21-24.

22. Гамазин С.И., Анчарова Т.В, Цырук С.А., Былкин М.В. Область допустимых несимметричных нормальных режимов в системах электроснабжения // Промышленная энергетика. 2000. №5. с. 21-27.

23. Гамазин С.И., Былкин М.В. Несимметричные режимы в системах электроснабжения промышленных предприятий / Тезизы докладов научно-практической конференции "Развитие государственной службы ИПК иэлектроэнергетики России". М.: 1998. - с.24-25.

24. Гамазин С.И., Зеленская М.А. Расчетно-экспериментальные исследования области допустимых несимметричных режимов в системе электроснабжения до 1000 В // Электрика. 2003. №2. с. 15-21.

25. Гамазин С.И., Петрович В.А., Никифорова В.Н. Определение фактического вклада потребителя в искажение параметров качества электрической энергии // Промышленная энергетика. 2003. №1. с.32-37.

26. Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. -М.: Издательство МЭИ, 1991. 352с.

27. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Изд-во МЭИ, 1997. - 421с.

28. Гамазин С.И., Цырук С.А., Наумов О.А. Исследование провалов напряжения в электрических сетях до 1000 В, вызванных коротким замыканием в сетях высокого напряжения // Промышленная энергетика. 1995. № 11.-с. 12-20.

29. Гамазин С.И., Цырук С.А., Понаровкин Д.Б. Автоматизация расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов, обусловленных электродвигательной нагрузкой//Промышленная энергетика. 1995. №7.

30. Гамазин С.И., Цырук С.А., Понаровкин Д.Б. Переходные процессы в системах электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Изд-во МЭИ, 1995. - 98с.

31. Гамазин С.И., Цырук С.А., Юнее Т. и др. Неполнофазные режимы в системах электроснабжения //Промышленная энергетика 1996. №9. с.21-27

32. Гитгарц Д. А., Мнухин JI.A. Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок. -М.: Энергия, 1974. 119с.

33. Глебов И.А., Логинов С.И. Системы возбуждения и регулирования синхронных двигателей. Л.: Энергия, 1972. -221с.

34. Голубев М.Л. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35кВ. -М.: Энергия, 1980. 85с.

35. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Энергетический справочник инженера. -Киев: Техника, 1983. 589с.

36. Горев А.А Переходные процессы в синхронных машинах. Л.: Наука, 1985.-251с.

37. Горелова В.Л., Мельникова Е.Н. Основы прогнозирования систем. М.: Высш. шк., 1986. - 287с.

38. ГОСТ 13109-95. Качество электроэнергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системе электроснабжения общего назначения. Введение. Минск: Межгоссовет по стандартам метрологии и сертификации, 1995. - 64с.

39. ГОСТ 13109-97.Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во МЭИ, 1998. - 15с.

40. ГОСТ 13109-98. Электрическая энергия. Требование к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения. -М.: Изд-во стандартов, 1988. -20с.

41. ГОСТ 23 875-88. Качество электроэнергии. Термины и определения. Введение. -М.: Издательство стандартов, 1988. 15с.

42. ГОСТ 28 249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. Межгоссовет по стандартам метрологии и сертификации. Введение. Минск: Издательство стандартов, 1994. - 63с.

43. ГОСТ 28249-94. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. -М.: Издательство стандартов, 1994. -59с.

44. Григораш О. В., Дацко А. В. Мелехов С. В. К вопросу электромагнитной совместимости основных функциональных узлов систем автономного электроснабжения // Промышленная энергетика. 2001. №2. с.44-46.45