автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение эффективности расчетов режима и потерь в электрических сетях при несинусоидальных токах

АЛМА-АТИНСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

СЫСОЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 621.316.11:621.3.014.33

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСЧЕТОВ РЕЖИМА И ПОТЕРЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКАХ

Специальность - 05.14.02 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

(ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ), СЕТИ И СИСТЕМЫ И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент ТРОФИМОВ Г.Г.

Алма-Ата - 1985

г

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМА И ПОТЕРЬ В ЭЛЕМЕНТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬ-ННХ ТОКАХ.......................*................ 10

1.1» Характеристика источников высших гармоник.......10

1.2. Методы расчета добавочных потерь энергии и экономического ущерба от высших гармоник............. 14

' ""• ' '' кг •

1.3. Методы расчета параметров режима электрической сети при несинусоидальных токах.................23

1.4. Оценка диапазона частот рассчитываемых гармоник. 28

1.4.1. Оценка требуемой точности расчета добавочных потерь..........................................29

1.4.2. Оценка требуемой точности расчета активного сопротивления элементов на повышенных частотах.. 35

1.4.3. Оценка диапазона частот рассчитываемых гармоник

в системах электроснабжения.....................36

1.5. Методы расчета активного сопротивления элементов распределительных сетей на повышенных частотах.. 39

1.5.1. Воздушные линии электропередачи и гибкие токо-проводы.........................................40

1.5.2. Жесткие токопроводы.............................43

1.5.3. Кабельные линии.................................45

1.5.4. Токоогранкчивающие реакторы ...........47

1.5.5. Трансформаторы..................................49

1.6. Постановка задачи..........••*♦.................50

2. ПАРАМЕТРЫ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ЛИНИЙ РАСПРВДЖГЕЛЬНОЙ СЕТИ НА ПОВЫШЕННЫХ ЧАСТОТАХ..................... 52

• 2.1. Схемы замещения линий распределительной сети

систем электроснабжения промпредприятий в спектре

повышенных частот................................. 52

2.2. Анализ факторов, влияющих на величину активного сопротивления проводов воздушных линий электропередачи жестких токопроводов и кабелей........... 55

2.3. Частотные характеристики активного сопротивления проводов воздушных линий электропередачи.......... 97

2.4. Частотные характеристики активного сопротивления

• жестких токопроводов.............................. 78

2.5. Частотные характеристики активного сопротивления кабельных линий................................... 92

2.6. Выводы............................................ 96

3. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОКООГРАНИЧИВАЩИХ РЕАКТОРОВ И СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАВШИЯ................... 100

3.1. Анализ факторов влияющих на электрические параметры схем замещения реакторов и трансформаторов........ 100

3.2. Частотные характеристики активного сопротивления токоограничивающих реакторов...................... 105

3.3. Частотные характеристики активного сопротивления трансформаторов................................... 118

3.4. Числовые характеристики ошибки определения активного сопротивления элементов распределительных

сетей............................................. 123

3.5. Выводы............................................ 138

4. ЧИСЛЕННО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ

И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

♦ С НЕЛШШШОЙ НАГРУЗКОЙ.........................................140

4Л. Совершенствование расчетов режима и потерь в

электрических сетях с высшими гармониками........ 140

4.2. Оценка возможностей экспериментального исследования добавочных потерь в реальных системах электроснабжения........................................ 147

4.3. Выбор оптимальных сечений кабелей с учетом влияния высших гармоник.................................. 168

4.4. Способ уменьшения уровней высших гармоник........ 176

4.5. Выводы........................................... 182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................... 184

ЛИТЕРАТУРА....................................... 187

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Таблица значений коэффициента увеличения активного сопротивления проводов воздушных линий электропередачи

на повышенных частотах.............200

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритм расчета высших гармоник в электрических сетях промышленных

предприятий........................204

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт внедрения......................214

ВВЕДШИЕ

Директивами ХХУ1 съезда КПСС по пятилетнему плану на 1961-1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее повышение эффективности общественного производства, бережливое использование материальных ресурсов, в том числе топливно-энергетических, улучшение качества продукции, которое в полной мере можно отнести и к качеству электрической энергии на промышленных предприятиях. Дальнейшее развитие эти положения получили на последующих Пленумах ЦК КПСС в виде конкретных рекомендаций по внедрению Энергетической программы СССР, основными задачами которой являются внедрение энергосберегающей технологии, всемерной экономии топливно-энергетических ресурсов и повышение качества электрической энергии.

Проблеме повышения качества электроэнергии уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Это вызвано тем обстоятельством, что качество электроэнергии существенно сказывается на технико-экономических показателях работы электрических сетей и промпредпрнятий.

В комплексе вопросов данной проблемы важное место занимает снижение несинусоидальности кривой напряжения, которая обусловлена широким использованием в промышленности устройств с нелинейными характеристиками. Величина коэффициента несинусойдаль-ности напряжения на целом ряде предприятий значительно превышает значение, нормируемое ГОСТ 13109-67* "Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения".

Решение вопросов ограничения несинусоидальности напряжения целесообразно выполнять уже на стадии проектирования электрической сети, осуществив при этом предварительные расчеты высших

гармоник и добавочных потерь от них.

Добавочные потери являются одним из наиболее адекватных энергетических показателей, характеризующих режимы с различными видами искажений. Эти потери определяются высшими гармониками тока и напряжения и конструктивными особенностями токове-дущих систем. Известные в настоящее время подходы к расчету высших гармоник и добавочных потерь не обеспечивают требуемую точность в анализе режимов работы распределительных электрических сетей особо мощных промпредприятий. Одной из причин этого является упрощенное представление частотных характеристик активного сопротивления элементов сети. За счет этого погрешность в определении высших гармоник и, как следствие, величины добавочных потерь может значительно превышать 10% инженерную точность.

Основная цель данной работы состоит в углубленном и более точном изучении режима работы электрических сетей при несинусоидальных токах. В этой связи возникла необходимость в решении ряда принципиальных задач, вытекающих из Комплексной целевой научно-технической программы ГКНТ ОД.003, подпрограммы 0.01.13Ц "Повышение качества электроэнергии по напряжению и снижение потерь в электрических сетях ЕЭЭС СССР" и Межвузовской целевой программы "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах", соисполнителем которых является кафедра электроснабжения промышленных предприятий Алма-Атинского энергетического института. К таким задачам относятся следующие:

- определение требуемой точности опенки добавочных потерь и частотных характеристик активного сопротивления элементов электрических сетей с точки зрения расчета параметров режима и экономического ущерба от действия высших гармоник;

- разработка методик расчета и непосредственное определение частотных характеристик активного сопротивления основных элементов электрических распределительных сетей и оценка точности их расчета;

- разработка и реализация на ЭЦВМ алгоритма расчета высших гармоник и экономического ущерба от их действия в электрических сетях;

- экспериментальное определение добавочных потерь от высших гармоник для элементов распределительной электрической сети;

- анализ влияния высших гармоник на параметры электрооборудования.

Решение поставленных задач в настоящей диссертационной работе осуществлено на базе математического моделирования на ЭЦВМ с использованием основ теории электромагнитного поля, методов теории вероятностей, элементов теории графов и матричной алгебры и результатов экспериментальных исследований на действующих промышленных объектах.

Первая глава посвящена анализу существующих методов расчета параметров режима и добавочных потерь в электрических сетях при несинусоидальных токах, определено влияние погрешности в вычислении параметров схем замещения на расчет режима и оценена требуемая точность определения частотных характеристик активного сопротивления, с точки зрения расчета параметров режима и величины ущерба от действия высших гармоник, проведен обзор опубликованных исследований по частотным характеристикам активного сопротивления элементов электрических распределительных сетей, выявлено различие в частотных характеристиках при определении их существующими методами, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются схемы замещения линий распределительной сети на повышенных частотах, проводится анализ факторов, влияющих на величину сопротивления, исследуются частотные характеристики активного сопротивления линий электропередачи, жестких токопроводов и кабельных линий, разработаны алгоритмы и программы расчета частотных характеристик для этих элементов.

В третьей главе рассматриваются схемы замещения токоогра-ничивающих воздушных реакторов и силовых трансформаторов на повышенных частотах, исследуются частотные характеристики активного сопротивления для этих элементов сети. Приводятся результаты определения числовых характеристик ошибки определения частотных характеристик активного сопротивления основных элементов электрических распределительных сетей.

Четвертая глава посвящена анализу режимов работы электрических сетей с нелинейной нагрузкой. В ней разработан алгоритм и программа расчета высших гармоник и экономического ущерба от их действия на основе уточненных частотных характеристик активного сопротивления элементов систем электроснабжения, приводятся результаты экспериментальной оценки потерь в электрических сетях, предлагается методика выбора оптимальных сечений кабельных линий, работающих при несинусоидальных токах* предлагается способ автоматического управления силовыми фильтрами по величине потерь от высших гармоник.

Внедрение разработанного в диссертации алгоритма и программ расчета высших гармоник, с учетом уточненных значений частотных характеристик активного сопротивления полученных в диссертации, и ущерба от высших гармоник проведено в Киевском отделении УГЛИ Тяжпромэяектропроект.

Дальнейшее использование разработанных положений для конкретных электроприемников и систем электроснабжения промышленных предприятий позволит уточнить величины экономического ущерба от действия высших гармоник, их удельные значения для отдельных отраслей промышленности, которые необходимы для решения целого ряда задач, связанных с качеством электрической энергии в распределительных сетях, как например, разработки методики технико-экономического обоснования фильтро-компенси-рущих устройств, решения задачи по экономическому обоснованию норм показателей качества электроэнергии и так далее.

I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМА И ПОТЕРЬ В ЭЛЕМЕНТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРИ НЕСИНУСЩДАЛЬНЫХ ТОКАХ

1.1. Характеристика источников высших гармоник

Широкое внедрение в промышленность вентильных преобразователей» установок электросварки, имеющих нелинейную вольт-ампер-ную характеристику, привело к резкому искажению синусоидальной формы тока промышленной частоты. Количественная оценка уровней высших гармоник в электрических сетях, определение их влияния на работу систем электроснабжения и минимизация гармоник являются одними из задач, связанных с решением проблемы повышения качества электроэнергии.

Рассмотрим приемники электроэнергии, являющиеся источниками высших гармоник.

Вентильные преобразователи, нагрузкой которых являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, печи сопротивления и другие электротехнологические установки, широко применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической промышленности, в городском и промышленном электрифицированном транспорте. В настоящее время разработано и используется много различных схем выпрямителей трехфазного тока. Анализ потребляемых выпрямителями из сети токов показывает на наличие в кривой тока высших гармоник, порядок которых определяется формулой V ~ рк ± У , где р - число фаз выпрямления; к »1,2,3,... - последовательный ряд чисел.

На рис.1 Л показаны кривые тока трехфазного вентильного преобразователя с числом фаз выпрямления равным шести без учета коммутации (рис.1.1 а), при коммутации по прямой линии (рис.1.16) и при коммутации по косинусоиде (рис.1.1 в).

о)

7 \ / V

(

4-1 и •

Кривые переменного тока вентильного преобразователя

РисЛ Л

Кривая переменного тока тиристорного регулятора

РисЛ .2

Для определения амплитудного спектра частот первичного тока преобразователей предполагают, что коммутация происходит по прямой линии и кривая переменного тока имеет форидг симметричных трапецеидальных блоков /I/ (рис.1.1 б), при этом ток -ой гармоники можно рассчитать по формуле: г Г« I ^о^

£

где ]{ - действующее значение тока основной (первой) гармоники; ^ - угол комк^утации. Эту формулу используют для приближенного определения амплитуд гармоник порядка £ 19, управляемых вентильных преобразователей при 15.

При более грубых расчетах часто пренебрегают углом коммутации полагая, что I» = 1</>> . В этом случае погрешность определения амплитуд гармоник увеличивается, например, для >> «13 и ^4 10 до 25£.

Для изменения тока в нагрузке по заданному закону широко используются регуляторы тока. На рис Л.2 представлена кривая первичного тока тиристорного регулятора, а на рис.1.3 - зависимости относительного содержания высших гармоник тока в функции угла управления об /2/.

При работе электродуговых печей (с трансформаторами до 100 МВ*А) появляются высшие гармоники, уровень которых в значительной степени зависит от режима горения дуги в разные периоды плавки. Относительные значения амплитуд высших гармоник порядков могут быть приближенно определены как = Кд/)>г /I/. Значение коэффициента зависит от сопротивлений печного трансформатора, короткой сети и питающей энергосистеш. Зависимости коэффициента Кд от перечисленных выше факторов приведены в /I/.

Дня установок электродуговой сварки в качестве источника

ч

а. г.

0£

/

02*

*А */л 3%

Зависимости относительного содержания высших гармоник тока тиристорного регулятора в функции угла управления

Рис.1.3

питания используются полупроводниковые выпрямители. Токи высших гармоник, генерируемые сварочными выпрямителями, зависят от режимов работы сварочных установок. Согласно /I/, относительный ток ^ -ой гармоники порядка можно рассчитать по формуле '/Л

Для газоразрядных ламп токи 3-й и 5-й гармоник составляют соответственно 10$ и 3% от тока основной гармоники /I/. Остальными гармониками, ввиду их малости, можно пренебречь.

Таким образом, наибольшие искажения потребляемого из сети тока вносят тиристорные регуляторы и вентильные преобразователи. Коэффициент несинусоидальности по току, например для тиристор-ных регуляторов напряжения, может достигать ^нс= 0,8 .

V ужз

Поэтому, оценку работы электрооборудования следует производить в первую очередь для спектров тока этих нагрузок.

1.2. Методы расчета добавочных потерь энергии и экономического ущерба от высших гармоник

Следует отметить, что несинусоидальные токи и напряжения оказывают неблагоприятное влияние на электрооборудование электрических сетей: появляются добавочные потери, сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, возрастает аварийность в кабельных сетях, повышаются потери в системах электроснабжения из-за невозможности применения конденсаторных установок для повышения коэффициента мощности, снижается качество работы систем автоматического управления и т.п. Исследования, проведенные на кафедре электроснабжения Алма-Атинского энергетического института с целью оценки величины ущерба от высших гармоник для ряда предприятий Казахстана показали, что на Целиноградском керамическом комбинате, схема электроснабжения

которого показана на рис Л .4, за период эксплуатации с 1973 г. по 1980 г. вышло из строя только силовых кабелей на сумму свыше 100 тыс.руб. В период 1979-1981 гг. в узле преобразовательной подстанции Усть-Каменогорского титано-магниевого комбината