автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение точности учета электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой

На правах рукописи

СИДОРЕНКОВ Владимир Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 2013

005532244

005532244

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Шерьязов Сакен Койшыбаевич

Официальные оппоненты: Астраханцев Леонид Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроподвижной состав» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Петров Геннадий Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрические машины и эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный

аграрный университет»

Защита состоится «27» июня 2013 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «23» мая 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Возмилов

Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей связано с большими затратами и значительными потерями электроэнергии при ее передаче. Повышение эффективности сельскохозяйственного производства и создание благоприятных условий для сельских жителей путем снижения потерь электроэнергии являются приоритетными направлениями в энергосбережении. При этом важную роль играет достоверный учет электроэнергии.

Особенность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей в современных условиях заключается в росте числа электроприемников с полупроводниковыми преобразователями, которые, являясь источниками высших гармоник, искажают синусоидальность кривой тока и напряжения и ухудшают качество электроэнергии, что отрицательно сказывается на системе учета электрической энергии и приводит к росту погрешностей в измерениях.

Проблемой высших гармоник в электрических сетях занимались отечественные и зарубежные специалисты: И. В. Жежелен-ко, Дж. Аррилага, Л. А. Астраханцев, Ю.И. Хохлов, М.В. Гельман, А. О. Сулейманов, С. П. Лохов и др. Глубоко изучены вопросы нелинейной электрической нагрузки на крупных промышленных предприятиях и компенсации высших гармоник, однако условия электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой рассмотрены недостаточно. Кроме того, недостаточно исследовано влияние высших гармонических составляющих тока и напряжения на работу узлов учета электроэнергии.

Анализ существующих показателей качества методов оценки и точности измерений электроэнергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей выявляет необходимость совершенствования методов повышения точности узлов учета. Решение данной задачи при очевидности ее прикладной значимости предопределяет научную актуальность диссертационного исследования.

Работа выполнена в соответствии с государственными программами по технической модернизации производственных процессов, в том числе с программой «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года».

Цель исследования. Повышение точности учета электрической энергии путем разработки и применения методов оценки и снижения погрешности узлов учета для повышения экономичности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Объект исследования. Погрешности узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Предмет исследования. Взаимодействие высших гармонических составляющих тока и напряжения и их влияние на погрешности узлов учета электрической энергии.

Задачи исследования:

- провести анализ показателей качества электрической энергии и работы узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- оценить влияние элекгроприемников с полупроводниковыми преобразователями на работу системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей;

- установить зависимости погрешности узла учета от показателя работы сельскохозяйственных элеюроприемников с полупроводниковыми преобразователями;

- разработать методы снижения погрешности узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной электрической нагрузкой;

- усовершенствовать методику выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Предложен метод определения коэффициента мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой, позволяющий выделить мощности основной гармоники и высших гармоник, проявляющиеся в результате взаимодействия высших гармонических составляющих тока и напряжения.

2. Установлены зависимости угловой, токовой и результирующей погрешности узла учета от показателя работы электроприемников с полупроводниковыми преобразователями.

3. Разработаны методы снижения погрешности узлов учета электрической энергии, вызванные воздействием мощности высших гармоник тока и напряжения.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов:

- предложена классификация узлов учета электрической энергии, работающих в сельских сетях 0,22 и 0,38 кВ, позволяющая правильно их выбрать с учетом элементной базы;

- разработана методика определения погрешности узла учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой;

- предложен экранированный тороидальный трансформатор, позволяющий снизить влияние высших гармоник на работу узла учета (патент РФ 103972);

- разработан способ учета электрической энергии с применением в качестве фильтрокомпенсирующего устройства разделительного трансформатора, позволяющий повысить точность измерений в условиях нелинейной электрической нагрузки (патент РФ 2445636);

- усовершенствована методика выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой;

- разработан стенд для исследования погрешностей счетчиков различных типов в условиях нелинейной электрической нагрузки и методика проведения исследований в лабораторных условиях.

Результаты исследования приняты к использованию в филиале ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго» при выполнении измерений количества электрической энергии на сельскохозяйственных энергообьек-тах с нелинейной нагрузкой, применяются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях ЧГАА (г. Челябинск) в период с 2008-го по 2012 г., на Всероссийских очно-заочных научно-практических и научно-методических конференциях УрФУ (г. Екатеринбург, 2011 г.), КрасГАУ (г. Красноярск, 2011 г., 2012 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в десяти статьях, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на изобретение способа учета электрической энергии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 129 наименований и 5 приложений. Основное содержание работы изложено на 160 страницах, содержит 58 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность повышения точности выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой. Сформулирована цель, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Состояние проблемы учета электрической энергии в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей и постановка задач исследования» приведен анализ современных способов и технических средств учета электрической энергии, влияния электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на качество электрической энергии, методов выполнения измерений электрической энергии и определения допускаемой погрешности.

Рассмотрены особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. На рисунке 1 приведены результаты измерений качества электроэнергии на примере сельскохозяйственных потребителей Брединского района Челябинской области.

а б

Рисунок 1 - Отклонения показателей качества электроэнергии от предельно допустимой нормы в электрических сетях: а —6 (10) кВ; 6-0,38 кВ

Приведенные данные показывают, что в сельских электрических сетях наблюдаются отклонения таких показателей качества электроэнергии, как отклонение напряжения (5С/у), искажения синусоидальности кривой напряжения (КЩп)) и тока (К). При этом наибольшее отклонение наблюдается в электрических сетях 0,38 кВ, где количество случаев отклонения напряжения возрастает с 14 до 90%, а количество выявленных случаев отклонения показателей К(т иЛГ,-в2и более раз по отношению к сетям 6 (10) кВ.

Искажение синусоидальности кривой тока и напряжения в электрических сетях объясняется наличием нелинейной электрической нагрузки. Развитие энергосберегающих технологий влечет за собой рост числа электроприемников с полупроводниковыми преобразователями. В этих условиях снижается качество электроэнергии, растут ее потери, в том числе из-за недоучета, и, как следствие, снижается экономичность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Известные методы выполнения измерений электроэнергии и определения погрешности в измерениях не учитывают особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей при росте нелинейной электрической нагрузки. Анализ научно-технической литературы показал необходимость изучения влияния нелинейной нагрузки на работу узла учета электрической энергии. В связи с этим были определены цели и задачи исследования.

Вторая глава «Теоретические исследования влияния электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на погрешности узла учета» посвящена теоретическим исследованиям влияния электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на потребляемую из электрической сети мощность и работу узла учета.

Известно, что полупроводниковые преобразователи влияют на эффективность процесса преобразования электрической энергии, качество которой при этом снижается, что, в свою очередь, воздействует на условия передачи и учета электрической энергии.

Одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на метрологические характеристики узла учета, является коэффициент мощности соэф. При снижении соэф погрешности узла учета увеличиваются и могут выходить за пределы класса точности.

Структурная схема системы «измерительный комплекс — нагрузка» при применении элекгроприемника с полупроводниковым преобразователем представлена на рисунке 2.

1 — измерительный комплекс; 2 — электроприемник с полупроводниковым преобразователем на входе

Рисунок 2 — Структурная схема системы «измерительный комплекс - нагрузка»

Для приведенной системы потребляемая мощность і5вк представляется как

^=а/5пр+^„2. (1)

где 5 — потребляемая полупроводниковым преобразователем в процессе преобразования электроэнергии мощность; 5н - потребляемая элекгроприемником мощность. Анализ работы электроприемников с полупроводниковыми преобразователями и связанных с этим исследований позволил выявить дополнительные мощности в результате взаимодействия высших гармонических составляющих тока и напряжения: мощность искажения Т; пассивную составляющую полной мощности АБ и мощность сдвига (?г Тогда полная мощность на входе рассматриваемой системы может быть определена как

, (2)

где Р, Q — активная и реактивная мощности основной частоты.

Полная мощность элекгроприемника с полупроводниковыми преобразователями будет больше в связи с появлением мощности

высших гармоник. Тогда следует ожидать, что действительный коэффициент мощности, показывающий эффективность преобразования электроэнергии у электроприемников с полупроводниковыми преобразователями и, соответственно, эффективность передачи электроэнергии в системе электроснабжения, будет отличаться от коэффициента мощности основной гармоники (частоты).

Для оценки эффективности передачи или преобразования электроэнергии у электроприемников с полупроводниковыми преобразователями следует выделить мощности основной гармоники и мощности, обусловленные высшими гармониками. При этом появляется возможность оценить влияние мощности высших гармоник на действительный коэффициент мощности.

Выражение для расчета действительного коэффициента мощности можно записать в виде

Р _Р__Jp2+Q2 (3)

COS ф =-= —, -•—, KJJ

Jp2 + e2 yJP2+Q2+AS2+T2+ef В данном выражении первое соотношение показывает коэффициент мощности основной гармоники coscp^ а второе - оценивает влияние мощности высших гармоник на действительный коэффициент мощности. Обозначим правую часть произведения как knf, показывающий эффективность преобразования электроэнергии полупроводниковыми элементами, поскольку такие составляющие полной мощности, как Т, AS и Qx, зависят от особенности работы полупроводникового преобразователя. Тогда выражение действительного коэффициента мощности можно переписать как

coscp, = eos q>, (4)

где к - коэффициент мощности, позволяющий оценить эффективность работы полупроводникового преобразователя.

После несложных преобразований показатель эффективности полупроводникового преобразователя можно представить как

Когда известны действующие значения напряжения и тока к-а гармоники,

*_= 1 <1- (6)

пр

1+

ш

При наличии нелинейной нагрузки следует ожидать снижение действительного коэффициента мощности, что приведет к росту погрешности узла учета. При этом для узла учета, состоящего из прибора учета прямого включения, погрешность можно оценить как

5„ = -к\ 0,9 + • С/ном /ном | (?)

Для узла учета, состоящего из прибора учета и трансформаторов тока, необходимо учитывать угловую и токовую погрешности трансформатора тока (ТТ). При этом угловая погрешность ТТ

/„-сояГш+а) 6в = 3440 • --(8)

изменится, поскольку высшие гармонические составляющие тока приведут к изменению угла между ЭДС Е2 и вторичным током 12:

X.

а = arctg-*---. (9)

Л2+гн-со5ф|-^пр

Анализ выражений показывает, что при снижении кпр угол а будет увеличиваться, а угловая погрешность - уменьшаться. Характер изменения угловой погрешности 50 при различных значениях Агпр приведен на рисунке 3.

При первичном токе ТТ, не превышающем номинального значения, токовая погрешность определяется как

8 -ЮО-УБЦУ+сс)

Л

При снижении кпр из-за угла а токовая погрешность будет увеличиваться. На рисунке 3 приведен характер изменения токовой погрешности при различных значениях к

пр

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

СОвфі

сскср,

—

*

1

>

/

1 2

<

—

ЇІ .....-Т-

1 —к =0,8; 2-к =0,5

пр ' ' пр 7

Рисунок 3 — Характер изменения угловой (а) и токовой (б) погрешности ТТ при нелинейной нагрузке

Таким образом, с появлением нелинейной нагрузки ожидаются дополнительные погрешности ТТ. При этом со снижением показателя кпр угловая погрешность уменьшается, а токовая погрешность увеличивается. Тогда в целом следует ожидать изменение результирующей погрешности узла учета.

Для определения величины результирующей погрешности узла учета в зависимости от показателя кпр пренебрегаем несистематической погрешностью. Тогда результирующую погрешность узла учета с трансформатором тока можно оценить как

8» =±1Л

-100-/о ■зіп(і|Л~а)>\ (3440 /0-со5(у + а)

. I ; л

К-

0,9 +

0,0 2-ит-1т

\\

.(11)

и-1 -совф,-*,

пр ))

Зависимость результирующей погрешности узла учета, состоящего из приборов учета и измерительного ТТ от показателя Апр,

приведена на рисунке 4, а на рисунке 5 приведен характер ее изменения при различных значениях к .

Рисунок 4 — Зависимость результирующей погрешности измерительного комплекса от величины к^ при соэф, = 0,95

Рисунок 5 — Зависимость результирующей погрешности измерительного комплекса от costp при разных значениях к^

Анализ зависимости показывает, что результирующая погрешность узла учета, функционирующего в системе электроснабжения с нелинейной нагрузкой, будет больше. Поэтому необходимо учитывать влияние мощности высших гармоник на работу узла учета.

Третья глава «Методы снижения погрешности узла учета» посвящена разработке методов снижения погрешности узла учета. Наиболее «уязвимыми» элементами узла учета, с точки зрения погрешности измерения, являются измерительные преобразователи

тока и напряжения, которые могут быть расположены как вне прибора учета, так и входить в его состав.

Известные методы повышения точности учета электроэнергии сводятся главным образом к мероприятиям по соблюдению соответствия классов точности ТТ и счетчиков, регламентированных для коммерческого и технического учета электроэнергии. Существующая классификация приборов учета направлена на обеспечение потребительских свойств узлов учета и соблюдение требований безопасности. Для правильного выбора узла учета необходимо знать отличительные особенности элементной базы. Узлы учета можно классифицировать по элементной базе измерительного тракта (рисунок 6).

При выборе прибора учета электроэнергии предлагается учитывать и его элементную базу. Так, при использовании приборов учета в сетях с нелинейной нагрузкой необходима элементная база, наименее подверженная влиянию высших гармонических составляющих тока и напряжения.

В реальных условиях эксплуатации измерительный тракт узла учета подвергается влиянию внешних постоянных и/или переменных магнитных полей, значения которых превышают значения, нормирующие дополнительную погрешность. Наиболее эффективным способом борьбы с влиянием внешних магнитных полей является экранирование.

Для снижения влияния внешних магнитных полей предлагается устройство с расположением экрана внутри корпуса (рисунок 7). Назначение экрана заключается в перераспределении общего внешнего магнитного потока и ослаблении его в той части, которая проходит внутри трансформатора тока и сцепляется со вторичной обмоткой ТТ. Кроме того, экран предотвращает рассеивание собственного магнитного потока ТТ в пространстве. Новизна предлагаемого устройства защищена патентом РФ № 103972.

Анализ известных способов совместного использования узлов учета и устройств подавления гармоник показал, что использование в схеме фильтра низких частот направлено на защиту электронной микросхемы прибора учета от внешних шумов и не защищает измерительный тракт. Для повышения точности измерения был разработан способ учета электрической энергии. Новизна предлагаемого способа защищена патентом РФ № 2445636 на изобретение.

Рисунок 6 - Классификация узлов учета

1 - корпус; 2 - магнитопровод; 3 - вторичная обмотка; 4 - замкнутый цельный экран; 5 - защитный диэлектрический экран; 6 — выводы вторичной цепи

Рисунок 7 - Экранированный тороидальный трансформатор тока

Сущность предлагаемого способа узла учета поясняется схемой системы электроснабжения (рисунок 8).

1 - счетчик электроэнергии; 2 - высокочастотный фильтр; 3, 5, 7, 10 - модели; 4 - устройство управления; 6 - выключатель; 8 - потребитель; 9 - блок индикации; 11 - концентратор; 12 - распределительная сеть; 13 - линия электроснабжения; 14-экранированный разделительный трансформатор

Рисунок 8 - Схема подключения контрольно-измерительного устройства

Особенность способа учета электрической энергии заключается в установке фильтрокомпенсирующего устройства, имеющего гальваническую развязку и экран между потребителем и узлом учета.

Данное техническое решение позволяет исключить негативное влияние высших гармонических составляющих тока и напряжения.

В четвертой главе «Экспериментальное исследование влияния полупроводниковых преобразователей на погрешности узла учета» представлены следующие результаты.

Разработаны методика проведения экспериментальных исследований и специальный лабораторный стенд, который помещен за металлическое ограждение, соединенное с контуром заземления для исключения влияния внешних переменных и постоянных магнитных полей (рисунок 9).

а

б

Рисунок 9 - Лабораторный стенд: а — общий вид; б - принципиальная схема

В ходе эксперимента в качестве нагрузки использовались электроприемники с нелинейной характеристикой (рисунок 10).

Рисунок 10 — Осветительные установки: а - компактная люминесцентная лампа; б - светодиодный светильник

Основные технические характеристики электроприемников представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные характеристики осветительных установок, использовавшихся в качестве нагрузки

Наименование Напряжение, В Мощность, Вт СОБф,

Компактная люминесцентная лампа 220 85 0,93

Светодиодный светильник 220 85 0,95

Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов. На первом этапе к сети поочередно подключались испытуемые электроприемники, на зажимах которых контролировался угол фазового сдвига между током и напряжением.

а

б

Фазовый угод,

градус 1*0.0 7 -

150.0 120.0

оаоооооооооооооо ІОООООООС

5 8 Я Я Я 8 3 8 !

150.0 120.0 90.0 60.0 30.0 ■ 0.0 --30.0 -60.0 -90.0 -120.0 ■ -150.0 -180.0

Время

Рисунок 11 - График фазовых углов: а — компактной люминесцентной лампы; б — светодиодного светильника

Из графика фазовых углов (рисунки 11, 12) следует, что во время экспериментальных исследований с компактной люминесцентной лампой и светодиодным светильником коэффициент мощности по первой гармонике составлял 0,93 и 0,95 соответственно.

Для учета электроэнергии использовались два узла учета на разных элементных базах, один из которых являлся эталонным. С помощью анализатора качества «Ресурс иЯ2М» производились измерения показателей качества электрической энергии и характеристики электроприемников. На основании полученных данных производились расчеты коэффициента мощности для каждого испытуемого электроприемника (таблица 2).

Таблица 2 - Энергетические характеристики испытуемых электроприемников

Электроприемник СОБф, к пр совфд Т, ВАр ал; ВАр <2,. ВАр Л Вт а ВАр 5, ВА

Компактная люминесцентная лампа 0,93 0,56 0,52 1,257 4,85 138,08 85 22 163,7

Светодиодный светильник 0,95 0,79 0,75 43,93 35,104 47,97 85 6,258 112,8

Лампа накаливания 1 1 1 0 0 0 85 0 85

Анализ данных указывает на низкие значения действительного коэффициента мощности в энергосберегающих лампах. Наиболее низким ожидается коэффициент при использовании компактной люминесцентной лампы.

На последующих этапах к сети поочередно подключались электроприемники через испытуемые узлы учета. Снимались показания испытуемых узлов учета. Результаты экспериментальных исследований показали, что при использовании электроприемника с полупроводниковым преобразователем возникает дополнительная погрешность узла учета, которая вызывает рост результирующей погрешности.

Отличие показаний приборов учета тем больше, чем меньше значение £пр. Так, при использовании в качестве нагрузки светодиодного светильника происходит снижение кпр до 0,79, появляется отличие показаний приборов учета, которое составляет 1,29%. Дальнейшее снижение к до 0,56 происходит при использовании в качестве нагрузки компактной люминесцентной лампы. Отличие показаний приборов учета в данном режиме эксперимента составило 2,1 %.

На четвертом этапе эксперимента электроприемники поочередно подключались к испытуемым узлам учета через фильтрокомпен-сирующее устройство, в качестве которого использовался разделительный трансформатор. В результате удалось исключить влияние высших гармонических составляющих на величину результирующей погрешности.

На последнем этапе эксперимента исследовалось влияние высших гармонических составляющих тока и напряжения на трансформатор тока. В качестве нагрузки использовались нагревательные элементы, соединенные по схеме «звезда», которые подключались к сети через первичную обмотку трансформаторов тока. В ходе проведения эксперимента имитировалось искажение кривых тока и напряжения с помощью силовых диодов, а трансформаторы тока экранировались с помощью стального экрана. По разности показаний амперметров, подключенных к вторичной обмотке ТЕ, определялась дополнительная погрешность, вносимая высокочастотными магнитными полями соседних фаз.

Результаты эксперимента показали, что при выполнении экранирования трансформатора тока средней фазы происходит снижение результирующей погрешности на 50%. При появлении высших гармоник наблюдается рост результирующей погрешности ТТ, что

подтверждает гипотезу о влиянии высших гармоник на величину результирующей погрешности.

Таким образом, полученные теоретические и экспериментальные данные показывают, что при снижении эффективности работы полупроводникового преобразователя наблюдается снижение коэффициента мощности. Для сравнительной оценки теоретических и эмпирических данных построены графики зависимости результирующей погрешности узла учета от /спр (рисунок 10).

Полученная зависимость результирующей погрешности от показателя эффективности полупроводникового преобразователя может быть аппроксимирована уравнением

б^созф,^1-24. (12)

—теоретическая зависимость; ♦ — экспериментальные данные прибора учета

Рисунок 12 — Сравнение данных, полученных теоретическим и экспериментальным путем

Анализ приведенных данных показывает на достаточную сходимость значений, полученных при экспериментальных исследованиях, которая находится в пределах 5 % значимости по критерию Пирсона.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности и практическая реализация результатов работы» проведен расчет годового экономического эффекта по удельным затратам на единицу объема производства. Установлено, что мероприятия по модернизации узла учета являются экономически оправданными.

На основе полученной зависимости результирующей погрешности от показателя эффективности работы полупроводникового преобразователя усовершенствована методика выполнения измерений количества электрической энергии. Данная методика учитывает влияние высших гармонических составляющих тока и напряжения.

Применение усовершенствованной методики на примере Брединского района Челябинской области при характерной системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с полупроводниковыми преобразователями кпр = 0,8 позволяет снизить себестоимость потребляемой электрической энергии на 2,2 коп./кВт-ч.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ качества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей показал наличие искажения синусоидальности кривых тока и напряжения из-за нелинейной нагрузки, что негативно влияет на работу узлов учета, увеличивая их погрешность, и в целом снижает экономичность ее работы. Недостаточные исследования влияния нелинейной нагрузки на работу узлов учета сдерживают разработку методов оценки и снижения погрешности в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

2. Предложен показатель эффективности работы полупроводниковых преобразователей А: , позволяющий выделить составляющие полной мощности, обусловленные высшими гармониками, мощности искажения Т, сдвига и пассивной составляющей Д5. С помощью данного показателя можно оценить коэффициент мощности, который в процессе взаимодействия высших гармонических составляющих тока и напряжения снижается.

3. Установлены зависимости токовой и угловой погрешности от показателя эффективности работы полупроводникового преобразователя, которые указывают на рост результирующей погрешности узла учета. Так, снижение показателя к и, соответственно, действительного значения соБф на 30 % приводит к росту результирующей погрешности узла учета на 50 %.

4. Разработаны организационные и технические методы, позволяющие оценить и снизить погрешности узла учета до нормативного уровня в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой. Организационные методы предусматривают выбор узла учета на основе уточненной классификации элементной базы и методику выполнения измерений электрической энергии. Технические методы предусматривают использование экранированного тороидального трансформатора тока и фильтрокомпен-сирующего устройства на базе разделительного трансформатора.

5. Усовершенствованная методика выполнения измерений количества электрической энергии позволяет оценить дополнительную погрешность узла учета, вызванную влиянием сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой, и тем самым определить действительный объем потребляемой элеюроэнергии.

Применение усовершенствованной методики на примере Бре-динского района Челябинской области при характерной системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с полупроводниковыми преобразователями кпр = 0,8 позволяет снизить себестоимость потребляемой электрической энергии на 2,2 коп./кВт-ч.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Особенности эксплуатации измерительных комплексов электрической энергии в сельских распределительных сетях / С. К. Шерья-зов, Николаевский А. Б., Серов С. Л., Сидоренюов В. А. // Ползуновский вестник. - 2009. - Вып. 1-2. - № 2. - С. 328-331.

2. Шерьязов С. К., Сидоренков В. А. Определение коэффициента активной мощности в электрической сети с преобладающей нелинейной нагрузкой // Вестник КрасГАУ. - 2012. - № 9. - С. 196-199.

Публикации в других изданиях

3. Сидоренков В. А. Шерьязов С. К. К методике учета потребляемой электроэнергии // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития : матер. Всерос. очно-заочной науч.-практ. и научн.-метод. конф. с междунар. участием. - Красноярск : КрасГАУ, 2010. - Ч. 2. - С. 168-169.

4. Шерьязов С. К., Сидоренков В. А., Чурсин Д. В. Исследование факторов, влияющих на измерительные комплексы в системе электроснабжения // Материалы ХЫХ междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». — Челябинск : ЧГАА, 2010. - Ч. 2. - С. 359-363.

5. Результаты исследования по определению погрешности измерительного комплекса электрической энергии / С. К. Шерьязов [и др.] // Материалы Ь междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2011.-Ч. У.-С. 149-153.

6. Сидоренков В. А., Коробков Д. С. Способы повышения точности измерительных комплексов // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : сб. матер. Всерос. студ. олимпиады, науч.-практ. конф. -Екатеринбург : УрФУ, 2011. -С. 438.

7. Сидоренков В. А. Определение погрешности измерительного комплекса в электрической сети с нелинейной нагрузкой // Материалы Ы междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2012. - Ч. V. -С. 122-127.

8. Сидоренков В. А., Коробков Д. С. Методы снижения погрешности измерения на подстанциях электрической сети // Матер. Ы междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2012. - Ч. V. - С. 127-131.

Авторские свидетельства, патенты

9. Пат. РФ № 103972. Экранированный тороидальный трансформатор / С. К. Шерьязов [и др.]. Б.И. № 12, 2011.

10. Пат. на изобретение РФ № 2445636. Способ учета электрической энергии / В. А. Сидоренков [и др.].; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ЧГАА. -№ 2010151117/28; заявл. 13.12.2010 ; опубл. 20.03.2012, Бюл. № 8.

Подписано в печать 26.04.3013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 94

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»

На правах рукописи

04201360420 СИДОРЕНКОВ Владимир Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент С. К. Шерьязов

Челябинск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................. 12

1.1 Современные способы и технические средства учета электрической энергии в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей....................................................................... 12

1.2 Особенности эксплуатации узлов учета в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей................ 15

1.3 Анализ влияния электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на качество электрической энергии в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей................ 21

1.4 Анализ методики учета потребляемой (переданной) электроэнергии

и оценка погрешности узлов учета............................................ 25

1.5 Состояние исследований по изучаемой проблеме и задачи исследования....................................................................... 31

Выводы и постановка задач исследования....................................... 33

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА ПОГРЕШНОСТИ УЗЛА УЧЕТА...... 35

2.1 Исследование влияния электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на коэффициент мощности............................ 37

2.2 Определение результирующей угловой погрешности узла учета

при нелинейной нагрузке........................................................ 51

2.3 Определение результирующей токовой погрешности узла учета

при нелинейной нагрузке........................................................ 52

2.4 Определение результирующей погрешности узла учета

при нелинейной нагрузке......................................................... 58

Выводы по главе....................................................................... 60

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ УЗЛОВ УЧЕТА.................................................................................. 62

3.1 Классификация узлов учета на основе уточненной элементной базы... 63

3.2 Метод экранирования измерительных преобразователей узла учета.. 69

3.3 Метод использования разделительного экранированного трансформатора................................................................... 76

Выводы по главе....................................................................... 85

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЛИЯНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

НА ПОГРЕШНОСТИ УЗЛА УЧЕТА.......................................... 86

4.1 Приборное обеспечение и методика эксперимента........................ 86

4.2 Экспериментальное исследование влияния работы полупроводниковых преобразователей на величину

результирующей погрешности узла учета................................... 93

4.3 Результаты проверки эффективности организационно-технических мероприятий по снижению результирующей погрешности............. 103

4.4 Анализ результатов и оценка точности экспериментальных исследований....................................................................... 109

Выводы по главе....................................................................... 113

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ..... 114

5.1 Методика выполнения измерений количества электрической

энергии.............................................................................. 117

5.2 Оценка экономической эффективности методов снижения погрешности узла учета......................................................... 123

Выводы по главе....................................................................... 125

Основные выводы..................................................................... 127

Список литературы.................................................................... 129

Приложения............................................................................ 143

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного общества трудно представить без использования электрической энергии. Она применяется во всех отраслях народного хозяйства: в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве и быту. Прогноз электропотребления сельскохозяйственными потребителями с учетом ускорения темпов развития экономики страны выявляет устойчивую тенденцию роста к 2015 году на 13-16 % [11].

Постоянный рост электрификации народного хозяйства (увеличение мощности нагрузок предприятий агропромышленного комплекса и сельских бытовых потребителей, развитие электротехнологии и автоматизации технологических процессов, а также повышение степени использования электрического оборудования) обуславливает высокие требования к уровню потерь электрической энергии. Снижение потерь электроэнергии до экономически обоснованного уровня в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей - одно из важных направлений энергосбережения. Решение этой задачи во многом способствует упорядочению расчетов за поставленную (проданную) электроэнергию, создает дополнительные стимулы для ее рационального использования, в том числе при техническом обосновании затрат на производство, передачу, распределение и потребление электроэнергии.

Комплекс мероприятий по снижению потерь электрической энергии включает в себя следующее [11]:

• снижение потерь при генерировании, транспортировании и преобразовании электрической энергии;

• повышение точности узлов учета электрической энергии.

И если первое мероприятие достаточно изучено и затрагивает проблему модернизации генерирующих, передающих, перерабатывающих мощностей и распределительных сетей, то второе относится к переходу на другой качественный уровень технических средств учета электрической энергии

и их способности выполнять возложенные функции в условиях практической эксплуатации [11].

Низкая точность результатов измерений обусловлена рядом недостатков существующей системы учета электроэнергии при электроснабжении сельских коммунально-бытовых потребителей и сельскохозяйственных предприятий. Эти недостатки имеют массовый характер, поскольку измерительные комплексы создавались ранее и создаются сейчас по типовым проектам, разработанным еще в 70-80-х годах XX века. Типовые проекты не учитывают в необходимом объеме источники и составляющие погрешностей учета электроэнергии, не предусматривают достаточных проектных решений для обеспечения требуемой точности узлов учета в специфических условиях эксплуатации в сетях с нелинейной нагрузкой [11].

На современном этапе развития науки и техники внедрение энергосберегающих технологий приводит к снижению удельных энергетических и материальных затрат. Данный эффект достигается за счет внедрения электроустановок с полупроводниковыми преобразователями, которые управляют технологическими параметрами, мощностью электроустановок, преобразуют параметры электрической энергии для наиболее эффективного воздействия на биологические объекты, продукты, сырье и материалы [120].

В настоящее время для сельского хозяйства промышленностью изготавливаются различные устройства тиристорного управления действующим напряжением, преобразования параметров электрической энергии в технологических установках для растениеводства, животноводства, подсобных и перерабатывающих предприятий. Широкое распространение полупроводниковые преобразователи получили в быту. Сегодня модельный ряд бытовых приборов насчитывает более 500 устройств, содержащих полупроводниковые преобразователи [1].

Общим недостатком сельскохозяйственных и бытовых электроустановок являются низкие энергетические показатели преобразователей

действующего напряжения в режиме управления; снижение показателей эффективности потребителей электроэнергии из-за ухудшения формы напряжения, тока в электрической сети и на выходе преобразователей [3].

Для систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей характерна ситуация, при которой наблюдается увеличение недоучета и коммерческих потерь электроэнергии. Все это непосредственно связано с состоянием системы учета, в частности, с точностью измерений электроэнергии на сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектах [102].

В системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей из-за нелинейных нагрузок возникают режимы, отрицательно влияющие на работу средств учета электрической энергии: искажения синусоидальности кривых напряжения и потребляемого тока. Это поднимает проблему электромагнитной совместимости средств учета с влияющими факторами на точность учета.

По различным оценкам, в системах электроснабжения России измеряют электроэнергию около 50 млн узлов учета, из них от 7 до 10 % работают в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. По условиям эксплуатации счетчики должны работать в непрерывном режиме в течение межповерочного интервала до 8-16 лет, не выходя за допускаемые пределы погрешности при сроке службы 30 лет. Кроме того, условия эксплуатации характеризуются широкими диапазонами влияющих факторов: внешних факторов (температура окружающего воздуха, постоянное и переменное магнитные поля, высокочастотное электромагнитное поле и др.) и параметров контролируемых присоединений (параметров режимов сети -ток, напряжение, частота, коэффициент мощности и др.). Влияющие факторы приводят к увеличению погрешности узлов учета в несколько раз по сравнению с числовым обозначением их класса точности [14].

Ситуация с измерительными трансформаторами тока имеет много общего со счетчиками. Трансформаторы тока, находясь в эксплуатации

на протяжении десятков лет, увеличивают свои погрешности за счет перехода в режим измерений при малых токах нагрузки, а также увеличения сопротивления нагрузки (мощности) во вторичной цепи. Кроме того, трансформаторы тока, как и любые технические устройства, подвержены старению. Находясь в длительной непрерывной эксплуатации, подвергаясь при этом влиянию внешних величин, импульсным электрическим перегрузкам, они могут менять свои механические, магнитные и электрические параметры и характеристики. Все это оказывает негативное влияние на трансформаторы тока, приводя к увеличению их погрешностей [51].

Известные методы повышения точности учета электроэнергии являются недостаточно развитыми. Они сводятся главным образом к мероприятиям по соблюдению соответствия классов точности трансформаторов тока и счетчиков, регламентированных в «Правилах устройства электроустановок» для коммерческого и технического учета электроэнергии. Однако эти мероприятия являются лишь отдельными фрагментами технологического пути повышения точности учета и уменьшением потерь электроэнергии, обусловленных инструментальными погрешностями ее измерения.

Общей причиной недостаточной развитости методов повышения точности учета электроэнергии в системах электроснабжения сельскохозяйственных потребителей является отсутствие системного подхода при решении измерительных задач.

Широко применяемые в настоящее время счетчики электрической энергии разработаны и поверяются исходя из предположения, что напряжение в сети является синусоидальной функцией и содержание высших гармоник в токе нагрузки не превышает 10 %. Однако большинство потребителей являются нелинейными, и при включении такого электроприемника в сеть в потребляемом токе и функции питающего напряжения появляется значительное содержание высших гармоник тока и напряжения [50].

Анализ качества электроэнергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей и исследований, посвященных влиянию их на точность измерений электроэнергии, показывает необходимость усовершенствования методов повышения точности узлов учета. Актуальность этих исследований объясняется развитием энергосберегающих технологий, которые зачастую ухудшают качество электроэнергии, повышают ее потери, снижают в целом экономичность системы электроснабжения.

Цель работы - повышение точности учета электрической энергии путем разработки и применения методов оценки и снижения погрешности узлов учета электрической энергии для повышения экономичности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Объект исследования — погрешности узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Предмет исследования - взаимодействие высших гармонических составляющих тока и напряжения и их влияние на погрешности узлов учета электрической энергии.

Методы исследования. Для решения поставленных научных задач использованы основные положения теоретической электротехники, электрических измерений, методы оценок по определению характеристик электрической нагрузки, планирования эксперимента, методы корреляционного и регрессионного анализа. Вычисления и моделирование проводились с применением пакетов программ MathCad, Excel.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Провести анализ показателей качества электрической энергии и работы узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

2. Оценить влияние электроприемников с полупроводниковыми преобразователями на работу системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

3. Установить зависимости погрешности узла учета от показателя работы сельскохозяйственных электроприемников с полупроводниковыми преобразователями.

4. Разработать методы снижения погрешности узлов учета электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

5. Усовершенствовать методику выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Научная новизна работы:

• предложен метод определения коэффициента мощности в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой, позволяющий выделить мощности основной гармоники и высших гармоник, проявляющихся в результате взаимодействия высших гармонических составляющих тока и напряжения;

• установлены зависимости угловой, токовой и результирующей погрешности узла учета от показателя эффективности работы электроприемников с полупроводниковыми преобразователями;

• разработаны методы снижения погрешности узлов учета электрической энергии, вызванной воздействием мощности высших гармоник тока и напряжения.

Практическая значимость работы:

• предложена классификация узлов учета электрической энергии, работающих в сельских сетях 0,22 и 0,38 кВ, позволяющая правильно их выбрать с учетом элементной базы;

• разработана методика определения погрешности узла учета в условиях сельскохозяйственной нелинейной электрической нагрузки;

• предложен экранированный тороидальный трансформатор, позволяющий снизить влияние высших гармоник на работу узла учета (патент 103972(13));

• разработан способ учета электрической энергии с применением в качестве фильтрокомпенсирующего устройства разделительного трансформатора, позволяющий повысить точность измерений в условиях сельскохозяйственной нелинейной электрической нагрузки (патент 2445636(13));

• усовершенствована методика выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой;

• разработаны стенд для исследования погрешностей счетчиков различных типов в условиях нелинейной электрической нагрузки и методика проведения исследований в лабораторных условиях.

Достоверность защищаемых научных положений подтверждается результатами, полученными при расчете с помощью апробированного программного обеспечения, результатами экспериментальных исследований, а также результатами, достигнутыми другими авторами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методы оценки показателя работы сельскохозяйственных электроприемников с полупроводниковыми преобразователями и коэффициента мощности.

2. Зависимости величины токовой, угловой и результирующей погрешностей узла учета от показателя работы сельскохозяйственных электроприемников с полупроводниковыми преобразователями.

3. Методы снижения погрешности узлов учета в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

4. Методика выполнения измерений количества электрической энергии в системе электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с нелинейной нагрузкой.

Апробация работы.