автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методики определения фактического вклада несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в точке общего присоединения

На правах рукописи

АМЕЛЬКИНА Надежда Анатольевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОГО ВКЛАДА НЕСИММЕТРИЧНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ОБЩИЙ УРОВЕНЬ НЕСИММЕТРИИ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Московского энергетического института (технического университета).

Шугаый руководитель кандидат технических наук,

доцент Цырук Сергей Александрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Ершов Михаил Сергеевич

кандидат технических наук Зиборов Борис Николаевич

Ведущая организация

ООО «ТЕСТ-Электро»

Защита диссертации состоится "29" апреля 2005 года в 11 час. »'-О мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Невозможно представить современную жизнь без такого товара народного потребления как электрическая энергия. Электрическая энергия широко используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Как и к любому виду продукции к электрической энергии применимо понятие "качество". Несоответствие электрической энергии требованиям к ее качеству приводит к тому, что потребление (использование) в обычных условиях электрической энергии может представлять опасность для жизни, здоровья людей, окружающей среды и причинить вред имуществу потребителей.

Понятие качества электрической энергии (КЗ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники (ЭП) могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Сейчас вся совокупность параметров, характеризующая пригодность электрической энергии к процессам передачи и потребления, сведена в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Несимметрия напряжений является важнейшим свойством электрической энергии, так как оказывает влияние на работу практически всех видов электроприемников. Она характеризуется наличием токов и напряжений не только прямой, но обратной и нулевой последовательностей.

КЭ зависит не только от процессов производства электроэнергии, но и от процессов ее транспортировки к месту продажи, а также от процессов ее потребления электроустановками потребителей электроэнергии, т.е. виновником возникновения несимметрии напряжений может быть как знергоснабжающая организация, так и потребитель с несимметричной по фазам нагрузкой.

Актуальной проблемой, связанной с несимметрией напряжений, является необходимость определения фактического вклада (ФВ) того или иного несимметричного потребителя в уровень общей несимметрии в точке общего присоединения (ТОП). Выявление виновного в искажении симметрии напряжений представляет также экономический интерес.

Решение этой проблемы видится в создании достоверной методики, которая позволяла бы определять ФВ несимметричного потребителя в общий уровень несимметрии. Это позволило бы принять меры по ограничению уровня несимметрии напряжений от конкретных несимметричных потребителей, что, в свою очередь, привело бы к улучшению КЭ в ТОП, от которой получают питание эти потребители.

Цель диссертационной работы. Основной целью диссертации является разработка методики определения фактического вклада каждого из несимметричных потребителей в точке их общего присоединения при вступлении в договорные отношения с энергоснабжающей организацией.

Достижение конечной цели диссертации осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1. Разработка методики, математических описаний и программных средств для моделирования несимметричных установившихся режимов в системах электроснабжения до 1 кВ произвольной структуры и конфигурации электрической сети.

2. Разработка методики определения фактического вклада несимметричных потребителей в ТОП на основе приборного обследования системы электроснабжения реального предприятия.

3. Выполнение расчетных и натурных экспериментов по определению ФВ Е ТОП отдельных несимметричных потребителей и выявление методических погрешностей, ухудшающих достоверность разработанных методик.

4. Определение области возможного применения разработанной методики.

5. Разработка четких инструктирчых материалов по использованию методики определения ФВ несимметричных потребителей, с целью ее дальнейшего использования при заключении договоров энергоснабжения.

Научная новизна.

1. Разработаны методики и программный комплекс «UNSRFV» для моделирования несимметричных установившихся режимов разомкнутой СЭС произвольной структуры и конфигурации.

2. Разработана методика определения ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП.

Выявлены методические погрешности методов расчетного и натурного определений ФВ несимметричных потребителей и определены области их использования с точки зрения необходимой точности и достоверности полученных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанный комплекс может быть рекомендован для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследований несимметричных установившихся режимов СЭС.

2. Результаты исследований несимметричных режимов могут быть использованы для определения допустимых уровней несимметрии отдельных потребителей электроэнергии.

3. Разработанную методику целесообразно использовать для разрешения спорных ситуаций, возникающих во взаимоотношениях между субъектами рынка электроэнергии.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях общей теории электротехники, с учетом практического опыта эксплуатации объектов электроэнергетики, и подтверждается следующим: корректностью исходных посылок, корректным использованием апробированных математических моделей элементов СЭС до 1 кВ, хорошим совпадением результатов экспериментальных и расчетных исследований.

В процессе исследований активно использовались: методы расчета и анализа установившихся режимов в СЭС; теория электрических цепей; теория математического моделирования; теория функций комплексных переменных.

Публикации и апробация работы. Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 5 публикациях в научно-техническом журнале и материалах конференций, а также докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ (ТУ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения. 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 113 страниц основного текста, 30 иллюстраций, 3 таблицы. Список использованной литературы включает в себя 58 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены общие положения и обзор технической литературы по теме диссертации и существующих методик определения фактического вклада несимметричных потребителей.

Во второй главе приведены основные положения теории расчетоз несимметричных режимов, особенности моделирования несимметричных рабочих режимов в СЭС до 1 кВ и основные характеристики комплекса расчетных программ «UNSRFV», предназначенного для расчета несимметричных режимов в произвольной разомкнутой СЭС до 1 кВ.

В третьей главе проводятся расчетное и экспериментальное определения фактических вкладов несимметричного потребителя и системы в общий уровень несимметрии в ТОП.

Методика определения ФВП и ФВС базируется на измерениях трехфазных токов в цепи питания потребителя и трехфазных напряжений в ТОП и параметров несимметрии (напряжение и ток обратной последовательности, и их фазовые характеристики). Большинство средств измерений ПКЭ имеют такие свойства.

В основу разрабатываемой методики положен метод определения фактических зкладов, согласно которому электрическая система (ЭС) и потребитель относительно ТОП представляются эквивалентными источниками токов искажения и сопротивлениями. На рис.1 представлена эквивалентная схема СЭС для определения ФВП и ФВС, где приняты следующие обозначения: - симметричная составляющая тока по обратной последовательности источника тока несимметричного потребителя; 2ап - сопротивление линейной части нагрузки потребителя для данной симметричной составляющей; ¿с -- симметричная состав-

ляющая тока по обратной последовательности эквивалентного источника тока искажения от ЭС; Т-ц - эквивалентное линейное сопротивление ЭС для данной симметричной составляющей; ¡¿ц - симметричная составляющая напряжения по обратной последовательности в ТОП; ¿т - симметричная составляющая тока в цепи питания потребителя.

топ /, ——в—^

Рис. 1. Эквивалентная схема СЭС для определения ФВП и ФВС. ФВП и ФВС определяются по следующим формулам:

Естественно, должно выполняться равенство:

Полные входные сопротивления СЭС ^ и потребителя 2находятся из выражения:

При изменении тока ¿с со стороны СЭС изменятся ток в цепи потребителя и напряжение в ТОП

тогда сопротивление потребителя определяется по следующей форму-

ле:

При изменении тока искажения со стороны потребителя сопротивление СЭС определяется из выражений:

Данный метод имеет существенный недостаток: негласно принято, что в пределах интервала измерений изменяется либо ток искажения ¿с» либо ¿п- Наряду с этим надо рассмотреть варианты изменения линейной части нагрузки потребителя и ЭС, которые также приводят к изменениям тока Л^ и напряжения АЦл, и остается неясным, что может быть вычислено по формулам (5) и (6).

Необходимо рассмотреть вариант одновременного изменения токов искажения на интервале измерения. ЭС представляет собой интегрированную и неразрывную систему, где искажающий потребитель не может рассмат-

риваться абсолютно отдельно от источника энергии, и наоборот. Это значит, что, скорее всего, когда изменяется ток искажения со стороны нагрузки, одновременно происходят какие-то изменения и со стороны ЭС.

Таким образом, метод нуждается в доработке, направленной на повышение достоверности определения сопротивлений

Одним из возможных способов доработки является активный эксперимент при измерении сопротивлений связанный с подключением дополнительного электроприемника (наиболее целесообразно подключение электрического двигателя). На рис.2 показана эквивалентная схема СЭС при активном эксперименте для определения ФВП и ФВС в искажение симметрии напряжений в ТОП по обратной последовательности, где - сопротивление двигателя по обратной последовательности. При этом подключение двигателя необходимо произвести, как минимум, два раза при первом пуске двигатель по отношению к потребителю входит в ЭС (рис.3, а), при втором - двигатель входит в систему потребителя (рис.3, б)

ТОП „ -2т

Рис. 2. Эквивалентная схема СЭС при активном эксперимента.

Рис. 3. Схема активного эксперимента. а) двигатель по отношению к потребителю входит в ЭС; б) двигатель входит в систему потребителя

Измерения и расчеты проводятся в следующей последовательности:

1) измеряются ток ¿^1) в цепи питания потребителя и напряжение ¡¿^ в ТОП до пуска двигателя;

2) измеряются ток Твд и напряжение Увд при подключении двигателя по схеме рис.3, а;

3) по формуле (5) вычисляется сопротивление Тап, при этом Дйт= =ИмХ)

4) измеряются ток /вд и напряжение [/ад при подключении двигателя по схеме рис.З, б;

5) по формуле (6) вычисляется сопротивление 7ай, при этом Дйт = =£¿1(3) - Штт, а ДЬт=¿т(з) - ¿т(1));

6) по выражениям (1) и (2) определяются ФВП и ФВС.

К преимуществам и недостаткам такого активного эксперимента можно отнести:

асинхронные и синхронные двигатели, являющиеся распространенными элементами СЭС, могут быть использованы для измерения сопротивлений;

большинство средств измерений показателей качества ЭЭ имеют три токовых канала и три канала для измерения напряжений, что достаточно при проведении эксперимента;

возможность эксперимента определяется наличием двигателя и комплектов трансформаторов тока в цепях питания потребителя и двигателя.

Таким образом, метод измерений фактических вкладов потребителя и системы, основанный на измерении с подключением двигателя может

быть положен в основу методики для определения ФВП и ФВС, которая необходима как ЭСО, так и потребителям при определении виновника ухудшения КЭ.

Экспериментальное определение ФВП и ФВС.

Эксперимент был реализован на трансформаторной подстанции № 2 (ТП-2) Очаковского завода железобетонных конструкций. На рис. 4 приведена схема электроснабжения ТП-2 с параметрами элементов и схема установки средства измерений.

Для измерений параметров несимметрии использовался измеритель показателей качества электрической энергии «Pecypc-UF2M».

Для обработки измерений применялось программное обеспечение, установленное на переносном компьютере.

На подстанции ТП-2 установлен масляный трансформатор ТМЗ-1000/10. От шин низкого напряжения питаются несколько двухфазных сварочных трансформаторов марки НТП мощностью 75 кВА, крановый двигатель с фазным ротором марки MTF 412-8 мощностью 22 кВт и другие потребители, которые на время эксперимента были отключены.

Несимметрия напряжений в ТОП (на шинах низкого напряжения ТП-2) создавалась искусственно путем включения на разных фидерах двухфазных трансформаторов. Для измерения тока в цепи потребителя использовались стационарные трансформаторы тока типа Т-0,66 УЗ.

Рис. 4. Схема электроснабжения ТП-2.

Во время эксперимента было произведено 6 измерений:

- 2 измерения без подключения двигателя для номинальной и максимальной нагрузок сварочных трансформаторов;

- 2 измерения с подключением двигателя по схеме рис.3, а для номинальной и максимальной нагрузок сварочных трансформаторов;

- 2 измерения с подключением двигателя по схеме рис.3, б для номинальной и максимальной нагрузок сварочных трансформаторов.

Все показания, полученные с помощью «Pecypc-UF2», выводились на экран переносного компьютера (см. рис. 5).

Рис. 5. Результаты измерений для разных нагрузок сварочных трансформаторов без подключения двигателя

Результаты измерений, необходимые для определения ФВС и ФВП, сведены :- таблицу 1.

Таблица 1. Результаты измерений для разных нагрузок сварочных транс-

форматоров

я X п ъ а и « в Схема измерения У* В ЬА фШ2> град

к без подключения двигателя А II -0,5 ¿т(1)= 68,5 142,2

К 1« § X 5 г о X 4/11.324/ подключением двига хеме ри. 3, а геля по 1Ьт{1)- 0,54 &го = 71,4 135,2

подключением двигателя по хеме ри. 3, б Шз) = 0,55 ¿КЗ) = 69,3 147,2

В Я Е £ Я без подключения двигателя Шгю = 1,97 Ьц\)~ 175,8 95,6

подключением двигателя по хеме ри. 3, а Йт(2) = 1,78 ¿тС)= 200,7 131,6

и а я 2 подключением двигателя по хеме ри. 3, б 1,95 ¿КЗ) =199,4 111,6

По полученным результатам измерений были рассчитаны ФВП и ФВС. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчетов ФВП и ФВС по результатам натурного

эксперимента

Фактический вклад При номинальной нагрузке сварочных трансформаторов При максимальной нагрузке сварочных трансформаторов

ФВП, % 26,8 17,2

ФВС, % 73,2 82,8

Расчетное определение ФВП и ФВС.

Расчеты проводились по комплексам прикладных программ «UNSRFV».

На рис.6, а представлена расчетная модель схемы электроснабжения ТП-2 без подключения двигателя для расчета параметров обратной последовательности с помощью вышеназванной программы. Модель имеет 8 узлов и 6 ветвей.

Значения несимметричных нагрузок в узлах 5 и 7 равны между собой и заданы в соответствии с измеренными нагрузками сварочных трансформаторов.

На рис 7, б, в соответственно показаны математические модели схемы электроснабжения ТП-2 с подключением электродвигателя по схемам рис.3, а,б.

Так же как и в эксперименте, с помощью программы было произведено 6 расчетов для номинальной и максимальной нагрузок сварочных трансформаторов. Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Рис. 6. Расчетная модель схемы электроснабжения ТП-2 а) без подключения двигателя; б) с подключением двигателя по схеме рис.3, а; в) с подключением двигателя по схеме рис.3, б.

Таблица 3. Результаты расчетов по программе «UNSRFV» для разных нагрузок сварочных трансформаторов

По полученным результатам измерений были рассчитаны ФВП и ФВС. Результаты расчетов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты расчетов ФВП и ФВС по результатам расчетного эксперимента---

Фжтический вклад При номинальной нагрузке При максимальной нагрузке __сварочных трансформаторов сварочных трансформаторов

ФВП, % 306 18,8

ФВС, % 694 812

Результаты, полученные по натурному и расчетному экспериментам показали, что метод подключения электродвигателя к ТОП с целью искусственного изменения сопротивлений потребителя и системы может быть положен в основу методики определения фактического вклада потребителя в общий уровень несиммгтрии в ТОП.

Относительная погрешность метода составляет Б среднем I 2%.

Существенным недостатком расчетного эксперимента является то, что при его проведении нельзя учесть влияние электрической системы. При расчетах с помощью программы электрическая система изначально задается как абсолютно симметричная, но Б реальной жизни электрическая система тоже вносит свой вклад в общий уровень несимметрии в ТОП и реальный ФВП может быть меньше рассчитанного. Погрешность определения ФВП расчетным путем может составить и больше 12%, но для приблизительного (оценочного) определения ФВП расчетный метод вполне применим.

Для более точного определения влияния электроприемников несимметричного потребителя на ухудшение КЭ в ТОП рекомендуется применять методику с проведением натурного эксперимента, результаты которого включают в себя влияние системы на уровень несимметрии в ТОП.

В четвертой главе приведены разработанные расчетная и экспериментальная методики определения фактического вклада несимметричного потребителя в общий уровень несимметрик в ТОП

Разработана к обоснована методика определения ФВП и ФВС экспериментальным путем, в которой изложена последовательность операций, необходимых при выполнении измерений; предложен для выбора парк измерительных приборов, выпускаемых в настоящее время в России и за рубежом и внесенных в Госреестр РФ; указан перечень вспомогательного оборудования и его характеристики для получения результатов измерений, удовлетворяющих требуемой степени точности; сформулирован алгоритм обработки искомых показателей для каждого потребителя электроэнергии.

Разработана и обоснована методика определения ФВП и ФВС расчетным путем, в которой перечислены минимальные аппаратные и программное ресурсы ЭВМ для получения результата исследований; указан необходимый набор данных, методика их подготовки и последовательность ввода, а также способы оценки достоверности используемых величин исходных данных.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен обзор методов определения ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП и проведен анализ возможности их практического применения.

2. Разработана универсальная программа «ЦШКРУ» для персональных ЭВМ. предназначенная для расчетно-экспериментальных исследований режимов несимметричных нагрузок в произвольной системе электроснабжения до 1 кВ, вызванных подключением фазных нагрузок на любое из линейных напряжений.

3. Теоретически обоснована методика определения ФВ потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП. Выполнены натурные эксперименты по определению ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП. По разработанной программе выполнены расчетно-экспериментальные

исследования несимметричных режимов СЭС и произведено определение ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП. Произведено сравнение результатов натурного и расчетного экспериментов и определены погрешности методов исследования,

4. Установлено, что для ориентировочных исследований ФВП достаточно выполнение расчетов режимов несимметричных потребителей в ТОП по предложенному программному комплексу. Однако, данный метод исследований обладает существенными погрешностями в части точного учета вклада электроэнергетической системы в уровень несимметрии, ввиду отсутствия данных о режимах функционирования электрической системы.

Для определения ФВ несимметричных потребителей при их вступлении в договорные отношения с ЭСО наиболее предпочтительным, с точки зрения получения достоверных данных, является предложенная методика измерений уровней несимметрии в ТОП на основе кратковременного подключения ЭП с малой величиной сопротивления обратной последовательности.

5. Разработана и обоснована методика определения ФВП и ФВС экспериментальным путем, в которой изложена последовательность операций, необходимых при выполнении измерений; указан перечень вспомогательного оборудования и его характеристики; сформулирован алгоритм обработки искомых показателей для каждого потребителя электроэнергии.

Разработана и обоснована методика определения ФВП и ФВС расчетным путем, в которой перечислены минимальные аппаратные и программные ресурсы ЭВМ; указан необходимый набор данных, методика их подготовки и последовательность ввода, а также способы оценки достоверности используемых величин исходных данных

Определены преимущества и недостатки названных методик.

Of.M-azsf

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Амелькина НА. Разработка методик определения фактического и допустимого вкладов несимметричных потребителей при заключении договоров энергоснабжения. // Научно-техническая конференция «Электроснабжение, электрооборудование, энергосбережение»: Тез. докл. - Новомосковск 2002. -

2. Амелькина НА. К вопросу о сертификации электрической энергии. // Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации»: Тез. докл. - Томск, 2004. - С. 248-250.

3. Амелькина Н.А Определение фактического вклада несимметричных потребителей. // Научно-техническая конференция «Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение»: Тез. докл. - Ижевск, 2004. - С. 10-14.

4. Цырук С.А., Амелькина НА. Определение фактического вклада несимметричных потребителей в искажение напряжения. // Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности»: Тез. докл. - Москва, 2004. - С. 59-64.

5. Амелькина Н.А., Бодрухина С.С., Цырук С.А. Определение фактического вклада искажения качества электрической энергии в точке общего присоединения от несимметричных потребителей // Электрика. - 2005. - №4. - С.17-

С. 41-42.

21.

Введение.

Глава 1. Общие положения. Обзор публикаций по теме диссертации.

1.1. Возникновение несимметрии напряжений и её характеристики.

1.2. Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования

1.3. Меры борьбы с несимметрией напряжений.

1.4. Договорные отношения между энергоснабжающей организацией и потребителями.

1.5. Обзор методов определения фактического вклада несимметричных потребителей.

1.5.1. Метод включения/отключения потребителя.

1.5.2. Метод построения зависимости nK3=f(SHazp).

1.5.3. Метод баланса мощностей (токов) в узле СЭС.

1.5.4. Определение ФВ по знаку активной мощности, соответствующей данному ПКЭ.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. Моделирование установившихся режимов СЭС.

2.1. Основные положения теории 'несимметричных режимов. Схемы замещения и уравнения режимов отдельных симметричных составляющих.

2.2. Схема замещения и уравнения режима прямой последовательности.

2.2.1. Моделирование системы промышленного электроснабжения.

2.2.2. Обобщенные параметры режима для разных иерархических уровней СЭС.

2.3. Схема замещения и уравнения режима обратной последовательности.

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

2.4.1. Характеристика комплекса расчетных программ UNSRFV.

2.4.2. Описание комплекса расчетных программ для исследований установившихся несимметричных режимов в произвольной

СЭС до 1 кВ.

2.4.3. Описание комплекса сервисных подпрограмм для подготовки исходных данных.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Расчетно-экспериментальное определение фактического вклада несимметричного потребителя в общий уровень несиммегрии в точке общего присоединения.

3.1. Теоретические положения разработанной методики определения фактического вклада несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в точке общего присоединения.

3.2. Экспериментальное определение фактического вклада потребителя и фактического вклада системы.

3.2.1. При номинальной нагрузке сварочных трансформаторов.

3.2.2. При максимальной нагрузке сварочных трансформаторов.

3.3. Расчетное определение фактического вклада потребителя и чсте

3.3.1. При номинальной нагрузке сварочных трансформаторов.

3.3.2. При максимальной нагрузке сварочных трансформаторов.

3.4. Оценка погрешности методов определения фактического вклада.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Методика определения фактического вклада несимметричного потребителя в общий уровень несимметрии в точке общего присоединения.

4.1. Методика определения фактического вклада потребителя в с 5щий уровень несимметрии по обратной последовательности в ТОП экспериментальным путем.

4.1.1. Необходимое оборудование.

4.1.2. Техника безопасности при выполнении измерений.

4.1.3. Последовательность действий при выполнении измерений и расчетов.

4.1.4. Преимущества и недостатки метода.

4.2. Методика определения ФВП в общий уровень несимметрии по обратной последовательности в ТОП расчетным путем.

4.2.1. Необходимое оборудование.

4.2.2. Последовательность действий при выполнении расчетного эксперимента.

4.2.3. Преимущества и недостатки метода.

4.3. Выводы по главе 4.

Невозможно представить современную жизнь без такого товара народного потребления как электрическая энергия. Электрическая энергия широко используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Как и к любому виду продукции к электрической энергии применимо понятие "качество". Несоответствие электрической энергии требованиям к ее качеству приводит к тому, что потребление (использование) в обычных условиях электрической энергии может представлять опасность для жизни, здоровья людей, окружающей среды и причинить вред имуществу потребителей.

Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается г понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении, токе и т.п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники (ЭП) могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. .

Проблема КЭ развивалась одновременно с развитием индустрии, усложнением технологических процессов, ростом энергосистемы в це,( -м. В начальный период развития энергетики страны КЭ оценивалось лишь количественно, что приводило к ситуациям, когда :ю приборным показателям оценочные параметры электрической энергии находились в пределах норм, однако имели место сГчш и аварии в технологических циклах производства. Возникла необходимость оценивать электрическую энергию не только количественно, но и качественно.

В последние годы в различных областях народного хозяйства увеличилось число предприятий, применяющих технологическое оборудование, г осприимчивое к качеству электрической энергии, поставляемой энергоснабжаю-щей организацией. Результаты анкетирования в 1993 г. 150 крупных промышленных потребителей в различных регионах России показали, что 30% опрошенных связывают с ухудшением КЭ выход из строя электрооборудования (двигателей, конденсаторных батарей, радиопередатчиков и др.), отмечают снижение производительности механизмов, а 25% приводят данные по снижению качества выпускаемой продукции. При этом 35% опрошенных промышленных потребителей связывают с ухудшением качества поставляемой электрической энергии ошибки и сбои систем автоматического управления технологическими процессами.

Ввиду того, что надежность, экономичность и эффективность работы электрооборудования промышленных потребителей, производительность и качество выпускаемой продукции теснейшим образом связано с КЭ, то важнейшее значение приобретают вопросы законодательного, нормативного и метрологического обеспечения проблемы КЭ.

Сейчас вся совокупность параметров, характеризующая пригодность электрической энергии к процессам передачи и потребления, сведена в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Данным ГОСТом нормируются следующие показатели качества электроэнергии (ПКЭ):

- отклонение напряжения;

- колебания напряжения;

- несинусоидальность напряжения;

- несимметрия напряжений;

- отклонение частоты;

- провал напряжения;

- импульс напряжения;

- временное перенапряжение.

Несимметрия напряжений является важнейшим свойством электрической энергии, так как оказывает влияние на работу практически всех видов электроприемников (см. Главу 1). Она характеризуется наличием токов и напряжений не только прямой, но обратной и нулевой последовательностей.

КЭ зависит не только от процессов производства электроэнергии, но и от процессов ее транспортировки к месту продажи, а также от процессов ее потребления электроустановками потребителей электроэнергии, т.е. виновником возникновения несимметрии напряжений может быть как энергоснабжающая организация, так и потребитель с несимметричной по фазам нагрузкой.

Актуальной проблемой, связанной с несимметрией напряжений, является необходимость определения фактического вклада (ФВ) того или иного несимметричного потребителя в уровень общей несимметрии в точке общего присоединения (ТОП). Выявление виновного в искажении симметрии напряжений представляет также экономический интерес.

Решение этой проблемы видится в создании достоверной методики, которая позволяла бы определять ФВ несимметричного потребителя в общий уровень несимметрии. Это позволило ^ы принять меры по ограничению уровня несимметрии напряжений от конкретных несимметричных потребителей, что, в свою очередь, привело бы к улучшению КЭ в ТОП, от которой получают питание эти потребители.

Актуальность темы Несимметричные режимы характеризуются наличием составляющих токов и напряжений обратной и нулевой последовательностей, кот; рые приводят к следующим неблагоприятным последствиям:

1. Появляется опасность пер сгрузки трехфазных электрических двигателей токами обратной последовательности.

2. Появляются дополнительные потери активной мощности и электрической энергии, обусловленные протеканием токов обратной и нулевой последовательностей в элементах системы электроснабжения (СЭС).

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

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 широкого применения, поскольку несймметрия в СЭС как правило нестационарна, а регулируемые симметрирующие устройства сложны, дороги и являются источником несинусоидальных токов.

Со стороны энергоснабжающей организации (ЭСО) в ТОП должны выполняться требования [1] к ПКЭ, характеризующим несимметрию напряжений. В то же время потребитель сам может вызвать нарушение требований ГОСТ, если использует несимметричные ЭП. При возникновении ухудшений КЭ в ТОП встает вопрос определения виновника этих ухудшений. Для выявления виновника, необходимо определить ФВ каждого несимметричного потребители, получающего питание от данной ТОП, и системы.

Обзор научных публикаций по выбранной тематике показал, что эти вопросы либо не решены, либо разработаны недостаточно. Поэтому разработку методики определения ФВ несимметричных потребителей следует признать актуальной.

Цели и задачи диссертации

Основной целью диссертации является разработка методики определения фактического вклада каждого из несимметричных потребителей в точке их общего присоединения при вступлении в договорные отношения с энергоснаб-жающей организацией.

Достижение конечной цели диссертации осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1. Разработка методики, математических описаний и программных средств для моделирования несимметричных установившихся режимов в системах электроснабжения до 1 кВ произвольной структурыи конфигурации электрической сети.

2. Разработка методики определения фактического вклада несимметричных потребителей в ТОП на основе приборного обследования системы электроснабжения реального предприятия

3. Выполнение расчетных и натурных экспериментов по определению ФВ в ТОП отдельных несимметричных потребителей и выявление методических погрешностей, ухудшающих достоверность разработанных методик.

4. Определение области возможного применения разработанной методики.

5. Разработка четких инструктивных материалов по использованию методики определения ФВ несимметричных потребителей, с целью : дальнейшего использования при заключении договоров энергоснабжения.

Положения, выносимые на защиту

1. Программный комплекс «UNSRFV», адаптированный к расчетно-экспериментальным исследованиям уровней ФВ несимметричных потребителей электроэнергии в ТОП.

2. Методика измерений ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии напряжений в ТОП.

3. Анализ методических погрешностей расчетного и натужного измерений ФВ несимметричных потребителей и границы использования методов расчетного и натурного экспериментов при вступлении в договорные отношения с энергоснабжающей организацией.

Научная новизна

1. Разработаны методики и программный комплекс «UNSRFV» для моделирования несимметричных установившихся режимов разомкнутой СЭС произвольной структуры и конфигурации.

2. Разработана методика определения ФВ несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП.

3. Выявлены методические погрешности методов расчетного и натурного определений ФВ несимметричных потребителей и определены области их использования с точки зрения необходимой точности и достоверности полученных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанный комплекс может быть рекомендован для автоматизированных расчетно-экспериментальных исследований несимметричных установившихся режимов СЭС.

2. Результаты исследований несимметричных режимов могут быть использованы для определения допустимых уровней несимметрии отдельных потребителей электроэнергии.

3. Разработанную методику целесообразно использовать для разрешения спорных ситуаций, возникающих во взаимоотношениях между субъектами рынка электроэнергии.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях общей теории электротехники, с учетом практического опыта эксплуатации объектов электроэнергетики, и подтверждается следующим: корректностью исходных посылок, корректным использованием апробированных математических моделей элементов СЭС до 1 кВ, хорошим совпадением результатов экспериментальных и расчетных исследований.

В процессе исследований активно использовались: методы расчета и анализа установившихся режимов в СЭС; теория электрических цепей; теория математического моделирования; теория функций комплексных переменных.

Публикации и апробация работы Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 5 публикациях в научно-техническом журнале и материалах конференций, а также докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ (ТУ).

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 113 страниц основного текста, 30 иллюстраций, 3 таблицы. Список использованной литературы включает в себя 58 наименований.

4.3. Выводы по главе 4.

1. Разработана и описана методика определения ФВП и ФВС экспериментальным путем, в которой изложена последовательность операций, необходимых при выполнении измерений; предложен для выбора парк измерительных приборов, выпускаемых в настоящее время в России и за рубежом и внесенных в Госреестр РФ; указан перечень вспомогательного оборудования и его характеристики для получения результатов измерений, удовлетворяющих требуемой степени точности; сформулирован алгоритм обработки искомых показателей для каждого потребителя электроэнергии.

2. Разработана и описана методика определения ФВП и ФВС расчетным путем, в которой перечислены минимальные аппаратные и программные ресурсы ЭВМ'для получения результата исследований; указан необходимый набор данных, методика их подготовки и последовательность ввода, а также способы оценки достоверности используемых величин исходных данных.

3. Определены преимущества и недостатки названных методик, к которым следует отнести: - . для натурных исследований:

- высокую достоверность;

- прямое измерение величин;

- простота вычисления ФВ по результатам измерений; и в то же время:

- невозможность одновременного измерений показателей для всех потребителей, подключенных к ТОП;

- трудность в обеспечении всех условий и допущений при выполнении измерений; для расчетных экспериментов:

- простота получения исходных данных для выполнения расчетов;

- невысокие минимальные требования к аппаратному и программному обеспечению;

- простота обработки результатов расчета для определения ФВ потребителей; и в то же время:

- невозможность получения достоверных данных о режимах работы электроэнергетической системы;

- необходимость предварительных длительных измерений с целью получения исходных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен обзор методов определения фактического вклада несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в точке общего присоединения (ТОП) и проведен анализ возможности их практического применения.

2. Разработан метод определения фактического вклада несимметричных потребителей в общий уровень несимметрии в ТОП, основанный на принудительном изменении параметров системы и потребителя по обратной последовательности путем подключения/отключения электродвигателя.

3. Согласно предложенному методу Выполнены натурные эксперименты по определению фактического вклада несимметричных потребителей.

4. Разработана универсальная программа «UNSRFV» для персональных ЭВМ, предназначенная для расчетно-экспериментальных исследований режимов несимметричных нагрузок в произвольной системе электроснабжения напряжением до 1 кВ.

5. По разработанной программе «UNSRFV» выполнены расчетно-экспериментальные исследования несимметричных режимов системы электроснабжения и произведено определение фактического вклада несимметричных потребителей.

6. Произведено сравнение результатов натурного и расчетного экспериментов и определены погрешности методов исследования.

7. Установлено, что для ориентировочных исследований фактического вклада достаточно выполнение расчетов по предложенному {/шограммному комплексу. Однако, данный метод исследований обладает существенными погрешностями в части точного учета вклада электроэнергетической системы в уровень несимметрии, ввиду отсутствия данных о режимах функционирования электрической системы.

8. Для определения фактического вклада несимметричных потребителей при их вступлении в договорные отношения с энергоснабжающей организацией наиболее предпочтительным, с точки зрения получения достоверных данных, является предложенная методика измерений уровней несимметрии в ТОП на основе кратковременного подключения/отключения электродвигателя.

9. На основе предложенного метода разработана методика экспериментального определения фактического вклада потребителя и системы, в которой изложена последовательность операций, необходимых при выполнении измерений; предложен парк измерительных приборов; указан перечень вспомогательного оборудования и его характеристики; сформулирован алгоритм обработки искомых показателей для каждого потребителя электроэнергии.

10. Разработана и описана методика расчетного определения фактического вклада потребителя и системы, в которой перечислены минимальные аппаратные и программные ресурсы ЭВМ для получения результата исследований; указан необходимый набор исходных данных, подготовка и последовательность ввода их, а также способы оценки достоверности используемых величин исходных данных. Л

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость • технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах общего назначения. Минск, 1997. 31 с.

2. Милях А.Н., Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Схемы симметрирования однофазных нагрузок в трехфазных цепях. Киев, издательство «Наукова думка», 1973. 220 с.

3. Шидловский А.К., Борисов Б.П. Симметрирование однофазных и двух-плечевых электротехнологических установок. Киев, издательство «Наукова думка», 1977. 160 с.

4. Маркушевич Н.С., Солдаткина JI.A. Качество напряжения в городских электрических сетях. М., «Энерги», 1975. 256 с.

5. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. M.-JI., «Энергия», 1964. 704 с.

6. Жежеленко И.В. и др. Показатели качества электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев, Техшка, 1981. 160 с.

7. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. Минск, Вы-шэйшая школа, 1988. 357 с.

8. Тер-Зарян Г.Н. Несимметричные режимы синхронных машин. М., «Энергия», 1969. 214 с.

9. Информационные материалы №70 ВНИИЭ, МЭИ. Исследование влияния несимметрии и несинусоидальности напряжения на работу асинхронных двигателей. M.-JL, Госэнергоиздат, 1963. 120 с.

10. Энергетика и электрификация. Серия: линии электропередачи и подстанций. Сельская электрификация. Выпуск 1. Проблема несимметрии в сельских электрических сетях. М., Информэнерго, 1981. 55 с.

11. Теоретические основы электротехники, под ред П.А. Ионкина, т.1. М., «Высшая школа», 1965. 530 с.

12. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций. М., Энергия, 1980. 608 с.

13. Барковский Б.С., Еремин Е.И., Шалимов М.Г. Влияние несимметрии и несинусоидальности нагрузки на работу трансформаторов и турбогенераторов. -Науч. труды ОМИИТ, 1964, вып. 53. 95 с.

14. Пястолов А.А., Козюков В.А. Особенности несимметричных режимов работы трансформаторов со схемой звезда-звезда с нулем. М., Пром. энергетика, 1968. 37-40 с.

15. Солдаткина JI.A. Электрические сети и системы. М., «Энергия», 1972. 272 с.

16. Тульский В.Н. Развитие методики определения фактического вклада при оценке качества электрической энергии в точке общего присоединения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 2004.

17. Амелькина Н.А. К вопросу о сертификации электрической энергии. // Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации»: Тез. докл. Томск, 2004. - с. 248-250.

18. РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии. М., Энергосервис, 2001. 76 с.

19. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. М., Энергосервис, 2003. 63 с.

20. Железко Ю.С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнер-гии//Технологии электромагнитной совместимости. 2003. №1.

21. Зыкин Ф.А. Энергетические процессы в системах электроснабжения с нагрузками, ухудшающими качество электрической энергии//" »ектричество. 1987. №12.

22. Зыкин Ф.А. Определение степени участия нагрузок в снижении качества электрической энергии//Электричество. 1992. №11.

23. Майер В.Я., Зения. Методика определения долевых вкладов потребителя и энергоснабжающей организации в ухудшение качества электроэнергии. Электричество, 1994, №9.

24. Майер В.Я., Ткач А.Н. Методика определения вклада потребителя в ухудшение несинусоидальности напряжений на границе раздела ба чнсовой принадлежности электрических сетейЮнергетика и электрификация. 1992. №2.

25. Крайчик Ю.С., Никифорова В.Н. Определение степени участия нагрузок в снижении качества электроэнергииЮлектричество. 1993. №11.

26. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. Л.: ОН ТИ НКТП СССР, 1936.407 с.

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

28. Мельников Н.А., Тимофеев Д.В. Приближенное определение несимметричного режима // Промышленная энергетика. 1972. №4.

29. Веников В.А. Переходные процессы в электрических систем, v. М.: Высшая школа, 1978. 415 с.

30. Горев А.А. Переходные процессы в синхронных машинах. — Л.: Наука, 1985. 251 с.

31. Жежеленко И.В., Шимянский О.Б. Электромагнитные помехи в СЭС промышленных предприятий // Электричество. 1983. №2.

32. Philippow, Е.: Nichtlineare Elektrotechnik. -Leipzig: Akademische Verlags-gesellschaft GEEST&PORTIG K.-G., 1971.

33. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. M.: Энергоатомиздат, 1986. -527с.

34. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. Том 1 / Под редакцией Федорова А. А. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 519с.

35. Paul, R.: Elektrotechnik 2. Netzwerke. -Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1994.

36. Рюденберг P. Переходные процессы в электроэнергетических системах. -М.: Изд-во ин. литературы, 1955. 485с.

37. Чабан В.И. Основы теории переходных процессов электромашинных сис тем. Львов: Вища шк., 1980. - 386с.

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

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

40. Мельников Н.А. Матричный метод анализа электрических цепей. М.: Энергия, 1972. - 232с.

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

42. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. Под редакцией Л.Г. Мамиконянца. Изд. 4-е. М.: Энергоатомиздат, 1984. -230с.

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

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

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

46. Данилов Е.С., Филиппов Е.С. Расчет электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1983. - 344с.

47. Пулькин С.П. Вычислительная математика. М.: Просвещение, 1974.

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

49. Зеленская М.А. Расчетно-экспериментальные исследования области допустимых несимметричных режимов в системе электроснабжения до 1000 В //

50. Сборник трудов II всероссийской научно-практической конференции «Проблемы управления электротехническими объектами». Выпуск 2.- Тула, 2002.

51. Гамазин С.И., Петрович В.А., Никифорова В.Н. Определение фактического вклада потребителя в искажение параметров качества электрической энер-гии//Промышленная энергетика. 2003. №1.

52. Амелькина Н.А. Определение фактического вклада несимметричных потребителей. // Научно-техническая конференция «Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение»: Тез. докл. Ижевск, 2004. - С. 10-14.

53. Амелькина Н.А., Бодрухина С.С., Цырук С.А. Определение фактического вклада искажения качества электрической энергии в точке общего присоединения от несимметричных потребителей // Электрика. 2005. - №4. - С. 17-21.

54. Yang Hong Geng. Assessment for Harmonics Emission Level from one particular customer. University of Liege, 1992.

55. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятников С.Ю. Определение виновника ухудшения качества электроэнергии при расчетах за электроэнергию. -АСЭМ, 2000, №19.

56. Курбацкий В.Г. Качество электроэнергии и электромагнитная совместимость технических средств электрических сетях. Брянск, БрГТУ, 1999.