автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях

На правах рукописи

Шамонов Роман Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 - электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена на кафедре электроэнергетических систем МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (Технического университета)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Илья Ильич Карташев доктор технических наук Юрий Станиславович Железко кандидат технических наук Евгений Всеволодович Дубинский Всероссийский электротехнический институт им. В,И, Ленина, г. Москва

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

Защита состоится "19" декабря 2003 г. в 16 час. 30 мин. в аудитории Г -200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная, 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан

2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 к. т. н., доцент

Бердник Е. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Последние годы значительное внимание уделяется повышению эффективности генерации, передачи и потребления электрической энергии (ЭЭ). На эффективность использования ЭЭ влияет большое количество факторов конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Одной из важнейших составляющих комплекса энергосберегающих мероприятий является снижение потерь ЭЭ в электрических сетях. С начала 90-х годов и до недавнего времени наблюдалось снижение электропотребления по России в целом. Так. например, в 2001 г. потребление ЭЭ составило лишь 75 % от уровня потребления 1990 г. При этом суммарные потери ЭЭ в энергосистемах России с 1991 по 2001 гг. непрерывно росли с 79 до 103,5 млрд. кВт*ч, и в процентах от отп\ска в сеть от 8,51 до 13,1. Разработка и успешное выполнение мероприятий по снижению потерь не возможны без тщательного анализа всех составляющих потерь и причин их появления. Основные факторы, определяющие потери в электрических сетях, хорошо известны и исследованы.

К числу дополнительных и мало исследованных факторов относится низкое качество электроэнергии (КЭ) и, в первую очередь, несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений. Наряду с увеличением относительного и абсолютного значения потерь ЭЭ, в отечественных энергосистемах остро стоят вопросы, связанные с ухудшением КЭ в электрических сетях всех классов напряжений. В первую очередь это связано с увеличением количества и повышением установленной мощности электроприемников (ЭП) с нелинейным и несимметричным характером нагрузок. Основная доля искажающей нагрузки приходится на крупные промышленные предприятия, к которым относятся предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, химической промышленности, а также электрифицированный транспорт. Однако след\ет отметить и увеличение доли бытовой нагрузки, имеющей в своем составе нелинейные и несимметричные ЭП. ~~ ~

Постановка задачи

Наряду с вопросами снижения потерь, последние десять лет усилия широких кругов специалистов направлены на решение задач по улучшению КЭ в электрических сетях всех классов напряжения. Значительный вклад в решение рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые: Вагин Г.Я., Ворот-ницкий В.Э., Жежеленко И.В., Железко Ю.С, Иванов В.С, Казанцев В Н., Кор-дюков Е.И., Кузнецов В.Г., Курбатский В.Г., Кучумов J1.A., Пекелис В.Г., Поспелов Г.Е., Саенко Ю.Л., Смирнов СС, Соколов В.И., Сыч Н.М., Черепанов В.В., Шидловский А.К.

Основными научными работами в области КЭ были исследования, направленные на определение влияния различных ЭП на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в узлах электрических сетей. В этих работах исследованы режимы и составлены модели различных нагрузок и элементов электрических сетей при снижении КЭ, позволяющие с ппрргтрпрципй ттчпгт^ш оцени-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА CTletepi ОЭ m

TM i

г

вать ПКЭ на стадии проектирования, т.е. без проведения экспериментальных исследований, а также разрабатывать мероприятий по улучшению КЭ.

Что касается значений дополнительных потерь в режимах, в которых КЭ не соответствует требованиям ГОСТИ 109-97, то приводимые в литературе цифры нередко противоречивы и сильно различаются. Тем не менее, большинство авторов отмечают, что значения этих потерь могут быть существенными (до 10-15 % от основных потерь), и пренебрегать ими недопустимо.

Существующие методы определения дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах преимущественно основываются на расчетных моделях элементов и ЭЭС в целом. Появление новых многофункциональных средств измерения (СИ) параметров электрических режимов позволяет глубже исследовать влияние дополнительных факторов, которыми ранее при анализе пренебрегали, а также инструментально определять значения дополнительных потерь. В связи с этим возникает необходимость определения структуры дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах, а также разработки и апробации методики инструментально-расчетной оценки в действующих электрических сетях на основе современных специализированных СИ параметров ЭЭ.

Решению этих актуальных вопросов посвящена реферируемая работа.

Цели работы

1. Определение структуры и значений дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах путем проведения измерений в реальных электрических системах 0,4 - 500 кВ;

2. Экспериментальное исследование влияния несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на показания приборов учета (ПУ) различных типов;

3. Разработка методики инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь мощности и ЭЭ и апробация ее на примере системы электроснабжения (СЭС) с мощной нелинейной нагрузкой.

Методика проведения исследований

Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на физической модели и путем проведения измерений в действующих электрических системах с использованием сертифицированных СИ.

Достоверность полученных результатов

определяется тем, что выполненные исследования базируются на фундаментальных положениях общей теории электротехники с учетом практического опыта эксплуатации объектов электроэнергетики, включая крупные энергосистемы. Полученные результаты подтверждены измерениями в действующих электрических сетях, вычислениями на математических моделях, детальным анализом основных влияющих факторов и расчетных условий.

Основные положения, выносимые на защиту

метод измерения потерь мощности и ЭЭ при несинусоидальных и , ' , несимметричных токах и напряжениях;

требования к измерениям погрешностей приборов учета ЭЭ (инструментальных потерь) при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях;

метод инструментально-расчетной оценки потерь мощности и ЭЭ в системах электроснабжения при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях;

математическую модель СЭС, содержащая мощную преобразовательную нагрузку и электрическую сеть с распределенными параметрами;

результаты проведенных измерений в действующих электрических системах 0,4 - 500 кВ.

Научная новизна

1) теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях; показано, что определение потерь должно выполняться для отдельных гармонических и симметричных составляющих;

2) разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров электроэнергии;

3) показано путем сравнительной оценкой дополнительных потерь, определенных инструментальным и расчетным методами, что предпочтение следует отдавать инструментальным методам;

4) в соответствии с разработанной методикой выполнена инструментальная оценка дополнительных потерь в СЭС мощной преобразовательной нагрузки и показано, что уровень этих потерь в сети 10 - 220 кВ может составлять 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от суммарной активной мощности потребляемой нагрузкой системы;

5) выполнено экспериментальное исследование и показано, что ПУ индукционного" и электронного типов в несинусоидальном и несимметричном режиме при Ки <12 %, К,<П%, Кги < 3 %, К2, < 25 %, Кос <3.5 %, Ко/ <17% работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности, при этом дополнительные инструментальные потери не превышают 0,35 % от суммарной ЭЭ в точке учета.

Практическая значимость работы и её реализация

Предложенная методика позволяет достоверно определять дополнительные потери мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах энергосистем, что должно использоваться при оценке потерь в электрических системах, содержащих мощные нелинейные и несимметричные нагрузки; технико-экономическом обосновании при разработке мероприятий, направленных на улучшение КЭ; а также при совершенствовании коммерческих взаимоотношений в области учета ЭЭ между энергоснабжакдаими организациями и потребителями.

Апробация работы

Основные теоретические и практические положения диссертации докладывались, обсуждались на трех научно-практических конференциях "Метрология электрических измерений в электроэнергетике" (г. Москва, ВНИИЭ, 20012003 гг.).

Публикации

Основные научные положения диссертации изложены в пяти опубликованных работах.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 46 наименований, и четырех приложений. Диссертационная работа изложена на 155 страницах( текста, содержит 28 рисунков, 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу структуры потерь и методам их определения. Также рассмотрены современные СИ ПКЭ, их функциональные и метрологические характеристики для использования в задачах оценки дополнительных потерь в несинусоидальных и несимметричных режимах.

Укрупненная структура потерь ЭЭ включает в себя:

а) технические потери;

б) потери, обусловленные её расходом на собственные нужды подстанций;

в) потери, обусловленные инструментальными погрешностями учета ЭЭ;

г) коммерческие потери, обусловленные хищениями ЭЭ, несоответствием показаний счетчиков оплате за ЭЭ бытовыми потребителями и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением энергии.

В технологических потерях (первые три составляющие укрупненной структуры) можно условно выделить дополнительные составляющие, обусловленные отклонениями режимов работы электрооборудования и измерительных приборов от номинальных или нормируемых. Таковыми являются несинусоидальные и несимметричные режимы ЭЭС.

Дополнительными потерями в измерительных комплексах являются потери, обусловленные дополнительными погрешностями систем учета (включая трансформаторы тока и напряжения). В число факторов, приводящих к дополнительным погрешностям учета ЭЭ, входят несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений.

Что касается дополнительных коммерческих потерь, обусловленных ухудшением КЭ, то к таковым можно отнести часть энергии с параметрами, несоответствующими требованиям нормативных документов или договора на энергоснабжение, которую абонент вправе не оплачивать в соответствии со статьей 542 Гражданского кодекса Россййской Федерации. По мере повышения грамотности абонентов в вопросах КЭ и насыщения рынка СИ ПКЭ следует ожидать появления данной составляющей потерь.

Таким образом, одной из составляющих технологических и коммерческих дополнительных потерь мощности и ЭЭ являются потери, обусловленные ухудшением ПКЭ в электрической сети.

Возможности существующих СИ тесно связаны с целями и задачами инструментального контроля ПКЭ. В настоящее время задачи инструментального контроля и анализа можно разделить на две группы.

К первой группе следует отнести собственно контроль КЭ, целью которого является определение соответствия значений измеренных ПКЭ требованиям ГОСТ13109-97, договора и технических условий на присоединение.

Ко второй группе следует отнести измерения, направленные на анализ и широкое исследование электромагнитных процессов, связанных с режимами работы различных электроустановок и их влиянием на КЭ. Такие измерения необходимы при разработке мероприятий, направленных на улучшение КЭ. при оценке электромагнитной совместимости различных электроустановок и электрических систем. К этой группе следует отнести и задачи инструментальной оценки дополнительных потерь.

Для решения перечисленных задач отечественными разработчиками были созданы новые типы приборов, выполненные на современной микропроцессорной базе. Среди отечественных СИ следует выделить приборы ЭРИС, Ресурс-£//% Нева, Уран-ЮОМ, ИВК «Омск». Данные СИ обладают высокими метрологическими характеристиками и отвечают требованиям ГОСТ 13109-97. Метрологические характеристики ряда СИ ПКЭ позволяют проводить измерения различных составляющих мощности в несинусоидальных и несимметричных режимах с относительными погрешностями 0,5%, что позволяет достоверно определять дополнительные потери инструментальными методами.

Присоединение СИ ПКЭ к сетям и СЭС номинального напряжения свыше 0,4 кВ требует применения первичных преобразователей, к которым относятся, в частности, трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Следовательно, погрешности измерения дополнительных потерь мощности и ЭЭ будут обусловлены не только погрешностями СИ, но и погрешностями измерительных преобразователей. Несмотря на то, что в настоящее время частотные характеристики ТН и ТТ по прежнему не нормируется, в некоторых случаях погрешности этих преобразователей может быть учтена при измерениях ПКЭ, в соответствии с опубликованными результатами исследований характеристик отдельных измерительных преобразователей.

Вторая глава посвящена анализу и инструментальному исследованию характеристик режимов в действующих электрических сетях различных классов напряжения при несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений.

Измерения проводились приборами типа ЭРИСКЭ-01 (Сертификат ГШ.Е.34.004.А № 6454, производитель ООО «Энергоконтроль», г. Москва), предназначенными для контроля параметров ЭЭ и ПКЭ. В общей сложности было выполнено более 200 измерений. Объектами исследования являлись: СЭС 10/220/500 кВ алюминиевого завода с мощной преобразовательной нагрузкой:

сети, получающие питание от тяговых подстанций; сети коммунально-бытовых и небольших промышленных объектов.

Данные измерения показали, что искажения синусоидальности и симметрии токов и напряжений в действующих электрических сетях, включая сети высоких напряжений, могут достигать десяти и более процентов. В большинстве же случаев уровни коэффициентов искажения синусоидальности не превышают 10-12 % по напряжению и 15-20 % по току, а уровни коэффициентов несимметрии - 3-4 % по напряжению и 20-25 % по току. Этими пределами в данной работе ограничивается область исследования дополнительных потерь от несинусоидальности/несимметрии токов и напряжений.

Анализ многочисленных графиков изменения ПКЭ на длительных интервалах времени (от 1 суток до 8 суток) позволяет с определенностью утверждать, что для большинства режимов работы характерных источников несинусоидальности и несимметрии, могут быть определены интервалы стационарности, на которых и следует определять дополнительные потери. А единобразие законов распределения контролируемых параметров для типичных искажающих нагру-, зок дает возможность проводить статистическую оценку потерь.

Представление результатов измерений несинусоидальных/ несимметричных напряжений и токов в виде гармонических и симметричных составляющих, в соответствии с разложением Фурье и методом симметричных составляющих, позволяет вести анализ и расчет потерь для отдельных гармонических и сим-i метричных составляющих аналогично расчетам синусоидальных симметрич-' ных режимов. В этом случае дополнительные потери активной мощности в г-ом элементе сети будут равны:

= I +3!2г2 +3/„Ч

А.В.С г

где /„, /2 и /о - токи ВГ, обратной и нулевой последоватетельностей; г„, /о - сопротивления элемента системы соответствующим токам.

Другим методом определения дополнительных потерь является составле-| ние балансов мощностей при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях. В этом случае составляющие мощности необходимо определять по соответствующим токам и напряжениям ВГ и симметричных составляющих по выражениям:

для четырехпроеодных сетей (фазные токи и напряжения) Рi= 3 LVi cos (р|, Qi= 3 U}I, sin фь Pi= 3 U2h cos ф2, Q2= 3 Ujij sin ф2; (1)

Po= 3 Uolo eos ф0, Qo= 3 ВД) sin ф0.

= Z C0S^ ЙЯ = Z q>m .

A.B.C n=l A.B.C т=2

для трехпроводных сетей (линейные токи и напряжения) Р|= -/з U\I\ cos фь Q\= S U\I\ sin фь Р2= -Уз Uzh cos ф2, £?2= U2I2 sin ф2; (2)

P„i = Z SU„I„ cos<р„ QnZ = XSnUJ„ún<p„.

n-2 n=2

При этом активная составляющая мощности характеризует необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии и при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях в трехфазной системе равна Рг = Р, ±РЛ ±Р2 ±Р0, где знаки мощностей ВГ и несимметрии будут определяться расположением нелинейной/несимметричной нагрузки по отношению к точке измерений.

В соответствии с выполненными теоретическим и инструментальным исследованиями, нелинейную/несимметричную нагрузку следует рассматривать как нагрузку, обладающую преобразовательными свойствами. Она, потребляя ЭЭ на основной частоте прямой последовательности, преобразует часть ее в энергию искажений и передает обратно в сеть (рис. 1).

Роен С

I Риск с

"Спокойная" нагрузка

- сопротивления соответственно энергосистемы, "спокойной" и искажающей нагрузок; Роен с, Рот и1, Рос и н2 - активные мощности по первой гармонике основной последовательности соответственно энергосистемы, "спокойной" и искажающей нагрузок: РИСК С» Р»СК н1, Риск „2 - соответствующие активные мощности искажений, обусловленные режимами работы искажающей нагрузки

Рис. 1 - Направления активных мощностей при наличии искажающей нагрузки

Полагая, что энергия ВГ и обратной/нулевой последовательностей практически не совершает полезной работы, для исследуемой электрической системы при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях дополнительные потери мощности равны

Путем проведения измерений в действующих электрических сетях 0,4 -500 кВ с мощными нелинейными и несимметричными нагрузками показано, что в большинстве случаев АРла„ не превышают 0,5 % от мощности на основной частоте прямой последовательности.

В третьей главе исследуется влияние несинусоидальности и несимметрии токов и напряжения на ПУ различных типов и, следовательно, на дополнительные инструментальные потери ЭЭ.

В качестве показателей, характеризующих влияние несинусоидальности и несимметрии на показания ПУ, рассмотрены значения 5| и 62, которые определяли относительную разницу между Жсч и ^ и ^ и рассчитывались по формулам

¡V -IV № -IV 5 = I »100„/о § = -1 * юо%.

IV,. 7 ^ ■

Здесь 1Г„ - активная ЭЭ, зафиксированная счетчиком; \Y\~P\T\ \Уг=РгТ\ №0=Р0Т - соответственно энергии прямой, обратной и нулевой последовательностей за интервал измерения Г; Ж„есимм=^2 - энергия несимметрии (по обратной и нулевой последовательностям); =Г ^ - энергия ВГ; Wz =

, -(.«.с л

- суммарная энергия, протекающая через точку учета. Эксперименты были проведены в лабораторных условиях на динамической модели кафедры электроэнергетических систем Московского энергетического института. Трехфазная установка, использованная в исследовании, включала в себя: силовой питающий трансформатор 10/0,4 кВ; потенциалрегулятор; шины 0,38 кВ, к которым подключены линейная активно-индуктивная нагрузка, выпрямительная нагрузка и реактор с тиристорным управлением. В испытаниях участвовали ПУ двух типов - индукционного и электронного класса точности 2. Были исследованы СА4У-И672 М, СЭТ4-1 и СЭТ4-1/1.

Показания ПУ в несинусоидальных и несимметричных режимах сравнивались с результатами измерения сертифицированным СИ ПКЭ — ЭРИС КЭ-02 (производитель ООО "Энергоконтроль", г. Москва). Схема присоединения ПУ и СИ ПКЭ к электрической сети модели приведена на рис. 2.

Рис. 2 - Схема подключения измерительной системы (счетчик и ЭРИС КЭ-02) к электрической сети 0,38 кВ физической модели В процессе эксперимента было исследовано семь режимов с разными значениями ПКЭ, характеризующих несинусоидальность и несимметрию токов и напряжений модели, при различных расположениях ПУ по отношению к источнику искажения.

В режиме № 1 осуществлялся учет ЭЭ, потребленной линейной и симметричной активно-индуктивной нагрузкой. Уровни несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений определялись существующим фоном сети 0,38 кВ. Этот режим отвечает требованиям, предъявляемым нормами к условиям поверки индукционных и электронных счетчиков, и поэтому является исходным для последующих сравнений и анализа при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях.

и

В режиме № 2 осуществлялся учет ЭЭ, потребленной линейной и симметричной активно-индуктивной нагрузкой и параллельной ей регулируемой преобразовательной нагрузкой. Путем регулирования значения тока, потребляемого преобразовательной нагрузкой, а значит и значений генерируемых ВГ тока, значение К и поддерживалось в диапазоне 7 - 7,9 %, что близко к нормально допустимому значению Кц - 8 % в электрических сетях 0,38 кВ в соответствии с ГОСТ 13109-97.

Отличие режима № 3 от режима № 2 заключалось в том, что значение К^ было выше и составляло 10,0 - 10,5 %, что приближается к предельно допустимому значению Ки = 12 % в электрических сетях 0,38 кВ. На рис. 3 представлены спектры токов и напряжений в данном режиме.

Режим № 4 аналогичен по уровням искажения напряжений режиму № 3. Но учет ЭЭ производился на вводе в линейную нагрузку, питаемую несинусоидальным напряжением.

9« а.9! 7 94 6 95 5 95 4 96 397

1 и иг

2 4 6 в 10 и 16 19 22 25 28 31 » 37

Условные обозначения: —- наибольшее значение, .--среднее значение

Рис. 3 - Характерные спектры токов (а) и напряжений (б) в режиме № 3 В режиме № 5 осуществлялся учет ЭЭ, потребленной линейной, но несимметричной активно-индуктивной нагрузкой Путем регулирования сопротивлений в фазах нагрузки в данном режиме были получены существенные токи обратной и нулевой последовательностей. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности был равен 3,0 % и превысил нормально допустимое значение равное 2 % в соответствии с ГОСТ 13109-97.

Режим № 6 аналогичен режиму № 5. Путем дальнейшего регулирования сопротивлений в фазах активно-индуктивной нагрузки и изменения схемы их соединения со звезды на треугольник в данном режиме были получены существенные токи и напряжения обратной последовательности, при небольших токах и напряжениях нулевой последовательности. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности был равен 2,57 % и превысил нормально допустимое значение равное 2 % в соответствии с ГОСТ 13109-97.

По режиму N° 7 был рассмотрен наиболее "тяжелый" случай со существенными уровнями несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в точке учета № 2. Параллельно несимметричной активно-индуктивной нагрузке (режим № 6) была подключена преобразовательная нагрузка.

Параметры всех исследованных режимов сведены в таблицу 1.

Таким образом, было исследовано влияние на учет ЭЭ счетчиками индукционных и электронных классов показателей, характеризующих несинусоидальность и несимметрию токов и напряжений, при изменении их в широком диапазоне. Результаты измерений сведены в итоговую таблицу 2.

Как следует из данной таблицы: независимо от того, что рассматривать в качестве погрешности измерения - 8| или бо, ни в одном из исследованных режимов ни для одного ПУ разница показаний не превысила допустимую погрешность учета для класса точности использованных счетчиков ±2%. Тем не менее, результаты исследования и их анализ позволяют сделать следующие выводы.

1) На показания ПУ влияют как несимметрия, так и несинусоидальность токов и напряжений. При этом показания электронных ПУ превышают значения ЭЭ, потребляемые ЭП на основной частоте и прямой последовательности при измерениях в цепи с линейной и симметричной нагрузкой и, наоборот, меньше этих значений при измерениях в цепи с искажающей нагрузкой.

2) ПУ индукционного и электронного типов в несинусоидальном и несимметричном режиме при Ки <12 %, К,<\1%, К2и < 3 %, К2, < 25 %, Кои < 3,5 %, Ко/ < 17 % работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности. Относительные погрешности индукционных ПУ по отношению к суммарной с учетом искажений ЭЭ (5|) и по отношению к ЭЭ, потребляемой ЭП на основной частоте и прямой последовательности (б2), больше, чем для электронных счетчиков.

3) Значения дополнительных инструментальных потерь при уровнях искажений синусоидальности и симметрии, соответствующих реальным уровням в действующих электрических сетях не превышают:

- 0,28 - 0,35 % от суммарной энергии в точке учета при Ки ^ 10,2 %, К/'< 16 % (в спектре преобладают гармоники 5,7, 11 и 13 порядков);

-0,15 % при Кои ¿3 %, Ко, <16,5%;

- 0.26 - 0,3 % при К2и <2,6 %, Кг, <24,6 %;

- 0,2 % при Ки<6 %, К, <4 % (в спектре преобладают гармоники 5, 7, 11 и 13 порядков), К2и <2,5 %, К2, <20,3 %.

Четвертая глава посвящена разработке методики инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах, в соответствии с которой для СЭС с мощной преобразовательной нагрузкой определены потери, обусловленные ВГ токов и напряжений в электрической сети. На рис. 4 приводится алгоритм предлагаемой методики для оценки дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных/ несимметричных режимах на основе результатов измерений. Данный алгоритм включает в себя следующие основные этапы:

1) подготовка к проведению измерений;

2) проведение измерений;

3) обработка и анализ полученных результатов.

Таблица 1 - Параметры экспериментальных режимов для оценки влияния несинусоидальности и несимметрии токов

и напряжений на показания приборов учета индукционного и электронного типов

Параметр режима и, В Г, А Ки, % К,, % Кг и, Кл, Кои, Ко/,

Фаза А В С А В С А В С А В С % % % %

1 220,83 221,76 220,52 2,81 2,8 2,79 0,79 0,72 1,01 1,1 0,99 1,2 0,42 0,46 0,12 0,09

се 2 219,66 219,82 218,43 4,63 4,68 4,55 7,15 7,9 7,74 14,32 13,71 14,66 0,62 1,78 0,2 0,16

3 я 3 218,18 218,67 217,33 5,91 6,01 5,84 9,99 10,26 10,37 15,92 15,14 16,18 0,64 1,79 0,27 0,16 .

^ и 4 219,5 219,36 218,31 2,59 2,57 2,57 11,75 12,4 12,04 3,13 3,24 3,38 0,63 0,76 0,28 0,38

а, 5 215,62 219,49 224,98 2,24 2,77 2,84 1,00 0,94 0,97 0,53 1,06 1,33 0,98 16,77 3,02 16,53

2; 6 221,42 213,64 224,35 2,55 2,46 1,65 0,99 1,03 1,06 1,47 1,39 1,2 2,57 24,57 0,67 0,29

7 218,52 210,84 221,9 2,94 2,97 2,11 5,27 6,02 6,54 3,42 3,68 5,63 2,49 20,33 0,79 0,52

Таблица 2 - Влияние несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на погрешности учета

электроэнергии

Разница §ь % 5 г, %

^Счетчик Режим СА4У-И672М №47179 СА4У-И672М №011745 СЭТ-4 № 33879 СЭТ4-1/1 №027091 СА4У-И672М №47179 СА4У-И672М № 11745 СЭТ-4 № 33879 СЭТ4-1/1 №0279091

№ 1 — — — — 0,722 1,691 -0,551 0,278

№2 0,496 0,876 0,298 -0,645 0,337 0,693 0,141 -0,798

№3 0,805 1,240 0,196 0,005 0,512 0,917 -0,076 -0,326

№4 — 1,134 — 0,477 — 1,257 — 0,601

№ 5 — 1,137 — 1,046 — 0,981 — 0,892

№ 6 1,619 — -1,224 — 1,354 — -1,495 —

№7 1,804 — -0,186 — 1,580 — -0,415 —

При этом в качестве объектов исследования при оценке дополнительных потерь могут быть:

- отдельный элемент ЭЭС (двигатель, трансформатор, КБ и т.д.);

- система электроснабжения нелинейной/несимметричной нагрузки;

- участок электрической системы с линейной/симметричной нагрузкой при несинусоидальном/несимметричном напряжении на источнике питания;

- энергосистема в целом, питающая несколько групп потребителей с различными видами искажающей нагрузки.

После определения объекта исследования производится выделение источников несинусоидальности/несимметрии токов и напряжений в ветвях и узлах системы. Поиск источников искажений может выполняться аналитически на основе имеющейся информации о схеме и параметрах системы, составе и режимах работы генерирующих источников и нагрузок. Более достоверным подходом следует считать выявление источников искажений по результатам предварительных измерений ГЖЭ и мощностей ВГ/несимметрии в пределах и на границах исследуемого объекта.

Наряду с контролем ПКЭ выявляются источники несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в ветвях и узлах системы. В качестве критерия, определяющего расположение источника искажений, следует рассматривать знаки активных мощностей для каждой гармонической и симметричной составляющей. Если для каждой из гармонических/симметричных составляющих выполняется условие

sign Дек = sign Рот, где Ри„-Р(„2,й) - активная мощность п-ой гармоники/обратной, нулевой последовательности; Рот - активная мощность основной частоты прямой последовательности, то данная нагрузка рассматривается как линейная и симметричная.

Если данное условие не выполняется, т.е.

sign Л.« * sign Рост то данная нагрузка рассматривается как источник искажения. Следует отметить, что на одних гармонических/симметричных составляющих нагрузка может являться потребителем искажений, а на других - источником.

Завершением подготовительного этапа является разработка стратегии дальнейшего инструментального исследования по оценке дополнительных потерь мощности и ЭЭ.

В пределах небольшой электрической сети или отдельного фрагмента системы электроснабжения промышленного предприятия, количество точек измерения, необходимых при определении дополнительных потерь, будет невелико. Для более крупных объектов задача инструментальной оценки дополнительных потерь существенно усложняется. В этой ситуации оценка дополнительных потерь мощности и ЭЭ для сложных электрических систем должна осуществляться инструментально-расчетным методом. Исходными данными для расчетов являются результаты измерений напряжений и токов ВГ/симметричных со-

ставляющих в узлах и ветвях системы. Расчеты выполняются по соответствующим схемам замещения в пределах отдельных гармонических и симметричных составляющих рассчитываются режимы и определяются дополнительные потери мощности и ЭЭ. В данной главе рассмотрены основные особенности составления схем замещения и расчета режимов для отдельных гармонических и симметричных составляющих.

Предложенные методические рекомендации по оценке дополнительных потерь мощности и ЭЭ в искаженных режимах были аппробированы автором в действующей СЭС промышленного предприятия с мощной преобразовательной нагрузкой. Для данной системы инструментально-расчетным путем были оценены дополнительные технические и инструментальные потери, обусловленные несинусоидальностью токов и напряжений.

Предприятие является одним из крупнейших отечественных алюминиевых заводов. Суммарная потребляемая мощность преобразователями составляет 1850 МВА. Это обусловило существенные искажения синусоидальности токов и напряжений как во внутренней электрической сети 0,4/10 кВ завода, так и в питающей энергосистеме 220/500 кВ. Фрагмент схемы СЭС представлен на рис. 5.

Отличительной особенностью данного предприятия является использование различных мероприятий по компенсации ВГ:

- применение фильтро-компенсирующих устройств;

- применение многофазных схем преобразования (12,24, 36 и 48-е схемы).

Дополнительные потери от ВГ в'электрической системе 220/500 кВ, определенные путем измерений, составили 564,8 кВт или 0,051 % от мощности потребляемой заводом на основной частоте, а путем расчетов по соответствующим схемам замещения для п-ых гармонических составляющих - 234,1 кВт.

Полученная разница между измеренными и рассчитанными значениями в первую очередь связана с допущениями, используемыми при составлении схем замещения и проведении расчетов для данной системы. Наличие резонансов и необходимость учета распределенности параметров ВЛ 220 кВ приводят к тому, что даже при незначительных погрешностях задания исходных данных погрешности расчетов токов и напряжений ВГ, а значит и дополнительных потерь могут быть очень велики.

Оценка дополнительных потерь путем измерений также будет сопровождаться погрешностями, обусловленными характеристиками измерительных преобразователей и СИ. Тем не менее, высокие метрологические характеристики современных СИ позволяют считать, что инструментальные погрешности в исследуемой системе будут меньше расчетных.

Наряду с дополнительными потерями в питающей энергосистеме искажения токов и напряжений в СЭС обусловленные работой преобразователей завода, приводят к дополнительным потерям мощности и ЭЭ во внутренней сети завода 0,4/10 кВ, а также в нагрузке собственных нужд. Дополнительные потери мощности в ЭП собственных нужд превышают потери в питающей электрической сети, составляя 689,3 кВт.

составляющие мощности определяются по выражениям (1) и (2)

Рис. 4 - Алгоритм методики инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь мощности и электроэнергии в несинусоидальных и несимметричных режимах

Продолжение рис. 4

Условные обозначения: х - точки проведения измерений, -для каждой подстанции указан состав преоразовательных трансформаторов, 24ф , 36ф , 48ф , - эквивалентная фазность режима преобразователей, реализованных на КПП

Рис. 5 - Фрагмент СЭС 10/220/500 кВ предприятия с мощной преобразовательной нагрузкой

Измерения напряжений и мощностей ВГ для данного фрагмента СЭС выполнялись в точках коммерческого учета ЭЭ, это позволило определить дополнительные инструментальные потери. В качестве ПУ использовались микропроцессорные счетчики А1Л-300-С2-Г класса точности 0,2 (производитель "ABB ВЭИ Метроника"). Дополнительные инструментальные потери от ВГ для данной системы составляют 4,948x106 кВтч/год, что при действующем на период проведения обследования тарифе на ЭЭ тээ=0,23 руб/кВтч приведет к недоучету отпущенной энергии на сумму

ДЖдоптээ =4,948x106х0,23=1138 тыс.р./год В таблицах 3 и 4 приведены результаты расчетов потерь и балансы мощности для данной СЭС

Заключение

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы.

1) Теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях, в соответствии с которым нелинейную и несимметричную нагрузку необходимо рассматривать как объект, который, потребляя мощность на основной частоте прямой последовательности, преобразует ее и возвращает частично в систему в виде мощностей искажений, так что

P,= V3 i/,/, cos cpi,6i= V¡3 í/,/i sin<pi¡ P„z=YlJlu«I~C0S'P*>Q-z

n-2 /rí2

Pt= S U2I2 eos ф2, Q2= U2I2 sin <p2; P2= S ÍVo cos ф0, Qo= & Wo sin ф0.

Тогда дополнительные потери характеризуются суммарной мощностью искажений и равны Л.Р,0П = PnZ + Р2+ Р0. При этом каждая из составляющих данного выражения должна оцениваться индивидуально в силу существенных различий по условиям их распространения в электрических системах.

2) Разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров ЭЭ. Путем сравнительной оценки дополнительных по-

20

НИ 7 7 ? '

3) При инструментальной оценке дополнительных потерь в сложных электрических системах, содержащих несколько источников искажений, при ограниченном количестве СИ ПКЭ основными задачами являются:

-А

- выбор точек проведения измерений;

- длительность измерений; ---- /—

- синхронность измерений, ' / / 6 ?

исходными данными для которых являются статистически обработанные

результаты предварительных измерений ПКЭ в исследуемой системе.

4) Дополнительные потери в действующих электрических сетях различных классов напряжения в несинусоидальных и несимметричных режимах могут быть достаточно велики. Значение потерь от ВГ в системе электроснабжения 10/220/500 кВ с мощной преобразовательной нагрузкой, определенное в соответствии с разработанной методикой, равно 1,254 МВт, что составило 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от мощности потребляемой нагрузкой на основной частоте.

5) На показания приборов учета ЭЭ влияют как несимметрия, так и неси-' нусоидальность токов и напряжений, при этом при изменении ПКЭ в диапазо- . нах Ки <12 %, К,<П%, К2и < 3 %, К2, < 25 %, Кои < 3,5 %, Ког < 17 % приборы как индукционного, так и электронного типов работают с погрешностями в, пределах, установленных их классами точности, а дополнительные инструмен- ' тальные потери не превышают 0,35 % от суммарной энергии в точке учета.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Анализ результатов проведенных измерений при контроле качества электроэнергии в электрических сетях 0,4-10 кВ/ Шамонов Р.Г. и др.// Научно-практическая конференция «Метрология электрических измерений в электроэнергетике»: Тезисы докладов.- М.: «Издательство НЦ ЭНАС», 2001.-С488.

2. Анализ качества напряжения в системе электроснабжения предприятия с мощной преобразовательной нагрузкой и разработка мероприятий по компенсации высших гармоник/ Шамонов Р.Г. и др.// II Научно-практическая конференция «Метрология электрических измерений в электроэнергетике»: Тезисы докладов.- М.: «Издательство НЦ ЭНАС», 2002.-С144.

3. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Приборы для контроля и анализа качества электрической энергии// Мир измерений.- 2002.-№ 5-6.-С4-10.

4. Влияние несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на приборы учета электроэнергии/ Шамонов Р.Г. и др.// III Научно-практическая конференция «Метрология электрических измерений в электроэнергетике»: Тезисы докладов,- М.: «Издательство НЦ ЭНАС», 2003.-С168.

5. Эффективность использования многофазных схем преобразователей для обеспечения качества электроэнергии/ Шамонов Р.Г. и др.// Электро. -2003.-№ 5.-С23-27.

Зак^ Тир./Й? П.Л. pS'подп. в печать /?// ПЦ МЭИ (ТУ), Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1 Потери мощности и энергии в электрических системах.

1.1 Структура потерь в электрических сетях.

1.2 Методы расчетов потерь в электрических сетях.

1.2.1 Методы расчетов потерь.

1.2.2 Информационная обеспеченность расчетов потерь.

1.3 Современные средства контроля показателей качества электроэнергии.

1.3.1 Цели и задачи, стоящие при контроле качества электроэнергии.

1.3.2 Основные характеристики современных средств измерения показателей качества электроэнергии.

1.3.3 Характеристики измерительных преобразователей тока и напряжения.

1.4 Выводы.

Глава 2 Характеристики несинусоидальных и несимметричных режи- ^ мов ЭЭС.

2.1 Характеристики несинусоидальных и несимметричных токов и ^ напряжений.

2.1.1 Несинусоидальность токов и напряжений.

2.1.2 Несимметрия токов и напряжений.

2.1.3 Состояние качества электроэнергии в действующих электрических системах.

2.2 Составляющие мощности при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях.

2.2.1 Направление потока электроэнергии в электрических сетях.

2.2.2. Мощности при синусоидальных и симметричных токах и ^ напряжениях.

2.2.3 Мощности при несинусоидальных токах и напряжениях.

2.2.4 Мощности при несимметричных токах и напряжениях.

2.2.5 Мощности в несимметричной и нелинейной системе.

2.2.6 Энергетические преобразования при искажениях токов и напряжений в установившихся режимах.

2.2.7 Результаты анализа методов расчета составляющих мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах.

2.3 Анализ составляющих мощности при несинусоидальных/ несимметричных токах и напряжениях по результатам измерений.

2.3.1 Система электроснабжения с мощной преобразовательной на -грузкой.

2.3.2 Составляющие мощности в электрических сетях 0,4 - 10 кВ.

2.4 Выводы.

Глава 3 Влияние несимметрии и несинусоидальности токов и напряже- ^ ний на учет электроэнергии.

3.1 Дополнительные погрешности приборов учета ЭЭ в несинусои- ^ дальных/несимметричных режимах.

3.1.1 Классы приборов учета.

3.1.2 Погрешности учета электроэнергии в несинусоидальных ре- ^ жимах.

3.2 Экспериментальная оценка влияния несинусоидальности и несим- g^ метрии токов и напряжений на приборы учета.

3.2.1 Цели эксперимента.

3.2.2 Описание экспериментальной установки.

3.2.3 Характеристики исследованных режимов.

4, 3.2.4 Результаты эксперимента.

3.2.5 Анализ результатов эксперимента.

3.3 Дополнительные инструментальные потери в несинусоидаль- ^^ ных/несимметричных режимах.

3.4 Методические рекомендации по учету дополнительных инстру- ^^ ментальных потерь в электрических сетях.

3.5 Выводы.

Глава 4. Методика определения дополнительных потерь мощности и электроэнергии, обусловленных несинусоидальностью и несимметрией ^ токов и напряжений.

4.1 Алгоритм определения дополнительных потерь в несинусоидальных и несимметричных режимах.

4.1.1 Постановка задачи и исходные данные для оценки дополни* тельных потерь.

4.1.2 Измерения, обработка и результаты оценки дополнительных потерь.

4.2 Дополнительные потери мощности и электроэнергии в системе электроснабжения, содержащей мощную преобразовательную нагру ^ ^ зку.

4.3 Выводы.

Актуальность темы. Последние годы значительное внимание уделяется повышению эффективности генерации, передачи и потребления электрической энергии (ЭЭ). На каждом из этапов имеются возможности снизить расход энергоресурсов. По оценкам специалистов, в настоящее время всего лишь 30 % содержащейся в энергоресурсах потенциальной энергии расходуется в качестве "полезной энергии" [16].

На эффективность использования ЭЭ влияет большое количество факторов конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Одной из важнейших составляющих комплекса энергосберегающих мероприятий является снижение потерь ЭЭ в электрических сетях. Потери ЭЭ в сетях бывшего СССР колебались в диапазоне 9-10 % отпуска электроэнергии в сеть [16, 45]. С начала 90-х годов и до недавнего времени наблюдалось снижение электропотребления по России в целом. Так, например, в 2001 г. потребление ЭЭ составило лишь 75 % от уровня потребления 1990 г. При этом суммарные потери ЭЭ в энергосистемах России с 199 Г по 2001 гг. непрерывно росли с 79 до 103,5 млрд. кВт*ч, и в процентах от отпуска в сеть от 8,51 до 13,1 [17, 34]. Основными причинами роста потерь в настоящее время являются [17, 30, 31]:

- эксплуатация физически и морально устаревшего оборудования, Что обусловлено отсутствием требуемых капитальных вложений;

- значительный рост коммерческой составляющей потерь ЭЭ.

Разработка и успешное выполнение мероприятий по снижению потерь не возможны без тщательного анализа всех составляющих потерь и причин их появления. Основные факторы, определяющие потери в электрических сетях, хорошо известны и исследованы. Появление новых многофункциональных средств измерения (СИ) параметров электрических режимов позволяет глубже исследовать влияние дополнительных факторов, которыми ранее при анализе пренебрегали.

К числу дополнительных и мало исследованных факторов относится низкое качество электроэнергии (КЭ) и, в первую очередь, несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений. Наряду с увеличением относительного и абсолютного значения потерь ЭЭ, в отечественных энергосистемах остро стоят вопросы, связанные с ухудшением КЭ в электрических сетях всех классов напряжений. В первую очередь это связано с увеличением количества и повышением установленной мощности электроприемников (ЭП) с нелинейным и несимметричным характером нагрузок. Основная доля искажающей нагрузки приходится на крупные промышленные предприятия, к которым относятся предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, химической промышленности, а также электрифицированный транспорт. Однако следует отметить и увеличение доли бытовой нагрузки, имеющей в своем составе нелинейные и несимметричные ЭП.

Наряду с вопросами снижения потерь, последние десять лет усилия широких кругов специалистов направлены на решение задач по улучшению КЭ в электрических сетях всех классов напряжения. Значительный вклад в решение рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые: Вагин Г.Я., Ворот-ницкий В.Э., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванов B.C., Казанцев В.Н., Кор-дюков Е.И., Кузнецов В.Г., Курбатский В.Г., Кучумов JI.A., Пекелис В.Г., Поспелов Г.Е., Саенко Ю.Л., Смирнов С.С., Соколов В.И., Сыч Н.М., Черепанов В.В., Шидловский А.К.

Основными научными работами в области КЭ были исследования, направленные на определение влияния различных ЭП на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в узлах электрических сетей. В этих работах исследованы режимы и составлены модели различных нагрузок и элементов электрических сетей при снижении КЭ, позволяющие с определенной точностью оценивать ПКЭ на стадии проектирования, т.е. без проведения экспериментальных исследований, а также разрабатывать мероприятий по улучшению КЭ.

Что касается значений дополнительных потерь в режимах, в которых КЭ не соответствует требованиям [9], то приводимые в литературе цифры нередко противоречивы и сильно различаются. Тем не менее, большинство авторов отмечают, что значения этих потерь могут быть существенными, и пренебрегать ими недопустимо.

В [36] отмечается, что дополнительные технические потери в сети при несинусоидальности менее 5 % незначительны, а при возрастании Ки до 7-15% потери от высших гармоник (ВГ) могут достигать 10-12%. А в сетях электрифицированного железнодорожного транспорта уровень дополнительных потерь активной мощности от ВГ может составлять до 10 - 15%) от потерь при синусоидальном напряжении [21, 39].

Несимметрия напряжения приводит к увеличению потерь мощности и ЭЭ во всех элементах электрической сети, что обусловлено протеканием токов обратной и нулевой последовательностей. В соответствии с [46] при Кцг2 % добавочные потери в обмотках асинхронных двигателей АРдоб составляют 8 % от основных потерь прямой последовательности ДР0сн5 а ПРИ К2ц=5 % АРяоб равны половине ЛР0СП.

Таким образом, для оценки эффективности передачи и распределения ЭЭ при пониженном КЭ необходимо учитывать и дополнительные потери ЭЭ. Возможности существующих специализированных СИ ПКЭ позволяют инструментально определять значения дополнительных потерь.

В связи с этим целыо данной диссертационной работы является разработка и апробация методики инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в действующих электрических сетях на основе современных специализированных СИ. Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

- определение структуры и значений дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах путем проведения измерений в реальных электрических системах 0,4 - 500 кВ;

- экспериментальное исследование влияния несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на показания приборов учета (ПУ) различных типов;

- инструментально-расчетная оценка дополнительных потерь мощности и ЭЭ в системе электроснабжения (СЭС) с мощной преобразовательной нагрузкой;

Методы и средства исследований. Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на физической модели и путем проведения измерений в действующих электрических системах с использованием современных сертифицированных СИ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях; показано, что определение потерь должно выполняться для отдельных гармонических и симметричных составляющих;

2) разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров электроэнергии;

3) показано путем сравнительной оценки дополнительных потерь, определенных инструментальным и расчетным методами, что предпочтение следует отдавать инструментальным методам;

4) в соответствии с разработанной методикой выполнена инструментальная оценка дополнительных потерь в системе электроснабжения мощной преобразовательной нагрузки и показано, что уровень этих потерь в сети 10 - 220 кВ может составлять 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от суммарной активной мощности потребляемой нагрузкой;

5) выполнено экспериментальное исследование и показано, что приборы учета индукционного и электронного типов в несинусоидальном и несимметричном режиме при Ки <12 %, Х;<17%, К2и < 3 %, К21 < 25 %, Кои < 3,5 %, К0] < 17 % работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности, при этом дополнительные инструментальные потери не превышают 0,35 % от суммарной электроэнергии в точке учета.

Практическое значение диссертации. Предложенная методика позволяет достоверно определять дополнительные потери мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах энергосистем, что должно использоваться при оценке потерь в электрических системах, содержащих мощные нелинейные и несимметричные нагрузки; технико-экономическом обосновании при разработке мероприятий, направленных на улучшение качества электроэнергии; а также при совершенствовании коммерческих взаимоотношений в области учета электроэнергии между энергоснабжающими организациями и потребителями.

4.3 Выводы

Разработана методика для инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах. В соответствии с ней определены дополнительные потери в СЭС с мощной преобразовательной нагрузкой. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1) При сравнительной оценке дополнительных потерь расчетным и инструментальным методами предпочтение следует отдать последнему как наиболее достоверному. Основным преимуществом инструментального метода являются полный учет влияния реальных характеристик несинусоидальных и несимметричных режимов и параметров электрической системы на дополнительные потери.

2) Значение дополнительных потерь в энергосистеме 220/500 кВ, питающей мощную преобразовательную нагрузку, определенное путем измерений составило 565 кВт или 0,051 % от мощности, потребляемой на основной частоте, при этом расчетные потери составили 234,1 кВт.

3) Дополнительные потери в нагрузке собственных нужд, получающей питание с шин 10 кВ завода параллельно с преобразователями, превышают потери в системе, составляя 689 кВт. При этом суммарные потери от ВГ в рассматриваемой системе составили 4,3 % от потерь на основной частоте.

4) Дополнительные инструментальные потери в точках коммерческого учета данной систем приводят к недоучету отпущенной ЭЭ на сумму 1138 тыс.руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы.

1) Теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях, в соответствии с которым нелинейную и несимметричную нагрузку необходимо рассматривать как объект, который, потребляя мощность на основной частоте прямой последовательности, преобразует ее и возвращает частич но в систему в виде мощностей искажений, так что

Рi=P 1 - РРг~ Ро, где Pf= л/3 U\I\ cos фь Pf= -ч/з U2h cos ф2,

Р0= л/3 Uolo cos ф0, = Е а/3UnIn cos (рп. п=2

Тогда дополнительные потери характеризуются суммарной мощностью искажений и равны АРдоп = PnZ + Р2 + Р0. При этом каждая из составляющих данного выражения должна оцениваться индивидуально в силу существенных раз-• личий по условиям их распространения в электрических системах.

2) Разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров ЭЭ. Путем сравнительной оценки дополнительных потерь, определенных инструментальным и расчетным методами, показано, что предпочтение следует отдавать инструментальным методам.

3) При инструментальной оценке дополнительных потерь в сложных электрических системах, содержащих несколько источников искажений, при ограниченном количестве СИ ПКЭ основными задачами являются:

- выбор точек проведения измерений;

- длительность измерений;

- синхронность измерений, исходными данными для которых являются статистически обработанные результаты предварительных измерений ПКЭ в исследуемой системе.

4) Дополнительные потери в действующих электрических сетях различных классов напряжения в несинусоидальных и несимметричных режимах могут быть достаточно велики. Значение потерь от ВГ в системе электроснабжения 10/220/500 кВ с мощной преобразовательной нагрузкой, определенное в соответствии с разработанной методикой, равно 1,254 МВт, что составило 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от мощности потребляемой нагрузкой на основной частоте.

5) На показания приборов учета электроэнергии влияют как несимметрия, так и несинусоидальность токов и напряжений, при этом при изменении ПКЭ в диапазонах К,-<12 %, £,<17%, К2и < 3 %, К2] < 25 %, Кои < 3,5 %, К01 < 17 % приборы как индукционного, так и электронного типов работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности, а дополнительные инструментальные потери не превышают 0,35 % от суммарной энергии в точке учета.

1. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. Ивановский гос. энерг. ун-т, 1999.-200 с.

2. Бунайя К. Выбор типа и закона регулирования статического ИРМ при несинусоидальном напряжении в узле нагрузки. Дисс. к.т.н,- М.: 1984 91 с.

3. Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: Уч. пособ. для вузов. М: Энергоатомиздат, 1985. - 272 с.

4. Веников В. А. и др. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах/ М.: Энергоатомиздат, 1985. -216 с.

5. Винер И.М. Особенности оценки перегрузки силовых конденсаторов в сетях с высшими гармониками. Сб.: Качество и потери электроэнергии в электрических сетях. - Алма-Ата: КазПТИ, 1986. - С. 4 - 9.

6. Гармоники в электрических системах.: Пер. с англ./ Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

7. Гидалевич Е.Д. и др. Упрощенный расчет мощности потерь в косинусных конденсаторах при несинусоидальном напряжении. Промышленная энергетика, 1990, № 7. - С. 27.

8. Горюнов И.Т., Мозгалев B.C., Дубинский Е.В. и др. Основные принципы построения системы контроля, анализа и управления качеством электроэнергии. Электрические станции, 1998, № 12. - С.2-6.

9. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск.: Изд-во стандартов, 1998.

10. ГОСТ 30206-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2s и 0,5s). -М.: Изд-во стандартов, 1996. -47 с.

11. ГОСТ 30207-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 1 и 2). М.: Изд-во стандартов, 1996.-54 с.

12. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 214 с.

13. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения пром-предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.

14. Жежеленко И.В., Кротков Е.А., Степанов В.П. Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей. Сам. гос. техн. ун-т, Самара, 2001 г. 196 с.

15. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения: Уч. пособие. К.: УМК ВО, 1989. - 108 с.

16. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 176 с.

17. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Изд-во "НЦ ЭНАС", 2002. 280 с.

18. Железко Ю.С., Кордюков Е.И. Высшие гармоники и напряжения обратной последовательности в энергосистемах Сибири и Урала. Электричество, 1989, №7.-С. 62-65.

19. Зыкин Ф.А., Каханович B.C. Измерение и учет электрической энергии. М.: Энергоатомиздат, 1982. 98 с.

20. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 120 с.

21. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. и др. Качество электрической энергии в муниципальных сетях Московской области. Промышленная энергетика, 2002, № 8. - С.42-48.

22. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятников С.Ю. и др. Способ инструментального выявления источников искажения напряжения и определение их влияния на качество электроэнергии. Электричест-во, 2001, № З.-С. 3-8.

23. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии. Электричество, 2000, № 4. - С.11-18.

24. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Приборы для контроля и анализа качества электроэнергии. -Мир измерений, 2002, № 5- 6.-С.4-10.

25. Книжник Р.Г., Ланда М.JI. и др. Дополнительные потери электроэнергии от несимметрии параметров фаз воздушных линий высокого напряжения.- Электричество, 1987, № 1. С. 47 - 49.

26. Кучумов Л. А., Спиридонова JT.B. Вопросы учета и измерения добавочных потерь в сетях при некачественной энергии./ Материалы конф. "Вопросы надежности и экономичности систем электроснабжения". М., 1974.1. С. 18-23.

27. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1983. -528 с.

28. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей.- М.: Энергия, 1978. 320 с.

29. Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады на-уч.-техн. семинаров и конференции 1998-2001 гг./Под общ. ред. Я.Т. Загорского. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 488 с.

30. Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады науч.-техн. конференции 2002 г./ Под общ. ред. Я.Т. Загорского. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. -144 с.

31. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. РД 153-34.015.501-00. М.: Энергосервис, 2001. 76 с.

32. Никифорова В.Н. Состояние и перспективы развития средств измерений показателей качества электроэнергии.- В сб. информ.-методических мат. семинара "Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике". М.: ВНИИЭ, 1998. - С.4-14.

33. Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.: Доклады науч.-техн. конференции 2002 г./Под общ. ред. Ворот-ницкого В.Э. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС.- 162 с.

34. Основы теории цепей. Учебник для вузов/ Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др.- М.: Энергоатомиздат, 1989. 444 с.

35. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем/ Воротницкий В.Э., Железко Ю.С. и др. Под ред. Казанцева В.Н. -М.: Энергоатомиздат, 1983.-368 с.

36. Пономаренко И.С. Влияние несинусоидальности напряжения на работу электронных счетчиков электроэнергии.: Доклады научно-техн. конференции 2003 г. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС. С.56-66.

37. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 216 с.

38. Семичевский П.И. Методика расчета дополнительных потерь активных мощности и электроэнергии в элементах систем электроснабжения промышленных предприятий, обусловленные высшими гармониками. Дисс. к.т.н.-М.: 1978.-206 с.

39. Соколов B.C. Метрологическое оборудование и приборы контроля качества электрической энергии. .- В сб. информ.-методических мат. семинара "Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике" -М.: ВНИИЭ, 1998. -С.15-18.

40. Старцев А.П. Экспериментальное исследование метрологических параметров измерительных трансформаторов напряжения. Автореф. дисс. к.т.н. Екатеринбург, 2000. - 20 с.

41. Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В. и др. Баланс энергий в электрических цепях. Киев: Наукова думка, 1992. - 240 с.

42. Хамидов А.Х., Ганиходжаев Н.Г. Потери электроэнергии в низковольтных сетях. Т.: Узбекистан, 1984 г. - 159 с.

43. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г., Николаенко В.Г. Оптимизация несимметричных режимов систем электроснабжения. Киев: Наук, думка, 1987.- 176 с.