автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора "звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством"

На правах рукописи

ТЕРЕМЕЦКИЙ Максим Юрьевич

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,38 кВ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРА «ЗВЕЗДА - ЗВЕЗДА С НУЛЁМ С СИММЕТРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ»

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском

хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 MAP 2011

Санкт-Петербург - Пушкин 2011

4841522

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Косоухов Фёдор Дмитриевич

доктор технических наук, профессор

Епифанов Алексей Павлович

кандидат технических наук, доцент

Судаченко Василий Никитович

ОАО «Северо-западный энергетический инжиниринговый центр» Производственный центр «Западсельэнергопроект»

Защита состоится 29 марта 2011 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г.Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, ауд.2-719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат размещён на сайте ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»: www.spbgau.ru.

Автореферат разослан февраля 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Смирнов В.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования эксплуатационных режимов сельских электрических сетей 0,38кВ с коммунально-бытовыми и смешанными нагрузками, проведённые вузами и научно-исследовательскими институтами показали, что в сети возникает значительная несимметрия токов, то есть режимы работы сельских сетей 0,38кВ являются объективно несимметричными. Несимметрия токов в сети вызывает несимметрию напряжений на зажимах трёхфазных электроприёмников, коэффициент нулевой последовательности напряжений во многих случаях превышает в 2...2,5 раза допустимое ГОСТ 13109-97 значение. Электрооборудование, используемое в электрических сетях и электроустановках, рассчитано для работы в симметричном режиме, поэтому несимметрия токов и напряжений в сети приводит к снижению эффективности его работы. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 25...30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38кВ и трансформаторах потребительских ТП увеличиваются на 30...50% по сравнению с симметричным режимом работы.

В указе Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» отмечается: «В целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов, энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом». В соответствии с этим указом в ближайшие десять лет предстоит снизить потери электроэнергии в электрических сетях России на 40% по сравнению с 2007 годом, повысить эффективность передачи и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран.

В сельских сетях 0,38 кВ существенного снижения потерь и повышения качества электроэнергии можно достигнуть за счёт уменьшения несимметрии токов с помощью специальных силовых трансформаторов с малым сопротивлением нулевой последовательности, а так же симметрирующих устройств, применением электроустановок для компенсации реактивной мощности.

В Федеральном законе Российской Федерации №261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» отмечается: «Значение целевых показателей в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».

Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ является важной задачей в области сельской электроэнергетики.

Объект исследования. Электрические сети 0,3 8кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством» (У/Ун СУ).

Предмет исследования. Потери и качественные показатели электроэнергии в сетях 0,3 8кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток У/Ун СУ.

Цель работы. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,3 8кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора У/Ун СУ. Задачи исследования:

1) Разработка метода расчета показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,3 8кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания.

2) Создание физической модели сельской сети 0,3 8кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети.

3) Проведение экспериментальных исследований потерь мощности, качества электрической энергии на физической модели сети 0,38кВ с трансформатором У/Ун СУ и У/Ун.

4) Технико-экономические показатели применения трансформатора У/Ун СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.

Основные положения диссертации выносимые на защиту:

- метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания;

- физическая модель сельской сети для экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети с трансформаторами У/Ун СУ, У/Ун;

- результаты экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети;

- технико-экономические показатели применения в сельских сетях 0,3 8кВ трансформатора ТМГСУ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания;

- проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ;

- разработана физическая модель сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;

- получены результаты экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами У/Ун СУ и У/Ун.

Практическая значимость работы заключается в снижений несимметрии токов и напряжений в сельских сетях 0,38 кВ путём применения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун СУ, в результате этого снижаются потери мощности и электроэнергии в этих сетях.

Апробация. Основные положения и результаты научной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях СПбГАУ 2008-2010 г.г.

Внедрение. Материалы исследования электрической сети 0,38кВ с трансформатором со схемой соединения обмоток У/Ун СУ приняты к внедрению в филиале ООО «Энергоконтроль» «Гатчинское отделение».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 69 наименований, 6 приложений; включает 160 страниц, 36 рисунков, 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации.

В первой главе «Показатели несимметрии токов и напряжений и потерь мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ» рассмотрены причины возникновения несимметрии токов и напряжений в сельских сетях 0,3 8кВ, методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях 0,38 кВ при несимметричной системе токов, влияние несимметрии напряжений и токов на работу электрооборудования.

В настоящее время развитие сельскохозяйственного производства претерпевает существенные изменения. Вследствие роста государственных предприятий (ГСП), крестьянских фермерских хозяйств (КХ, ФХ), а также индивидуальных частных владений значительно возрастает доля мощной однофазной нагрузки (однофазные стабилизаторы напряжения номинальной мощностью 30 и более кВт, сварочные трансформаторы мощностью 50 кВА, коммунально-бытовые электроприёмники). В действующих сетях 0,3 8кВ распределение однофазных электроприёмников по фазам производиться неравномерно, поэтому создаётся перегрузка одних и недогрузка других фаз. Вследствие этого в сельских сетях 0,38кВ возникает значительная несимметрия токов вызывающая дополнительные потери мощности и электроэнергии в трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Yh (они в основном применяются в сельских сетях 0,38 кВ) и воздушных линиях. Кроме того, на зажимах трансформаторов и в узлах нагрзки создаётся несимметричная система напряжений коэффициент нулевой последовательности которой в несколько раз превышает допустимое ГОСТом 13109-97 значения.

Точные методы расчёта потерь мощности и напряжения в электрических сетях при несимметричной системе токов основаны на применении метода симметричных составляющих. Этот метод получил наибольшее распространение в технической литературе.

Большой вклад в разработку методов расчёта и способов снижения потерь внесли учёные-электроэнергетики: Рожавский С.М., Шидловский А.К., Милях А.Н., Кузнецов В.Г., Жежеленко И.В., Косоухв Ф.Д., Пястолов A.A., Ерошенко Г.П., Бородин И.Ф., Сердешнов А.П., Кисель О.Б., Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Мельников H.A., Наумов И.В., Попов Н.М. и другие.

Критерием оценки дополнительных потерь мощности при несимметричной нагрузке может служить коэффициент потерь мощности. Он определяется как

отношение потерь мощности в несимметричном режиме работы сети дрн к потерям

мощности при симметричном режиме aps = др =з /2-r (в этом случае токи

обратной и нулевой последовательностей равны нулю и потери мощности будут обусловлены только токами прямой последовательности):

АРи /!-Л, /!-я„

- = 1 +-

АР с

/,-Л,

Л-й,

(1)

где Л, /г() - активные сопротивления прямой, обратной, нулевой последовательности для участка сети;

/,, /2, /0 - токи прямой, обратной, нулевой последовательности для того же участка сети.

и — = к а, а также равенство сопротивлений обратной и /1

Учитывая, что — = £

Л

прямой последовательностей /?2 = для трансформаторов и линий электропередачи, получаем:

(2)

где Ки - коэффициент обратной последовательности токов; Ка - коэффициент нулевой последовательности токов;

А Я,

Относительные значения фазных потерь напряжения на некотором участке сети определяются как отношения фазных падений напряжений при несимметричной системе токов к падению напряжения при симметричном режиме, с учётом равенства для электрических сетей сопротивлений прямой и обратной последовательностей (г, = г2) имеем:

■ кратность активного сопротивления нулевой последовательности.

<5» =

8ЦЛ 8Ц,

еив

5и,

. ^ I ¿2 ! /о ¿0 .

■ а +а

-к + . •

¿. а

-с Я/,

(3)

I. I, &

где <?£/,, ¿¡у,, - комплексы фазных потерь напряжения на участке сети;

<%/, - комплекс фазной потери напряжения прямой последовательности на участке сети;

,2т

а = е 3 - фазный множитель (оператор поворота на 120°),

Учитывая, что ;

и

' —2<> ~Т-Ка> ¿1

и обозначив — = Кг, получим выражения:

= + а -Ки+Кы-Кг''

(4)

Во второй главе «Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания» предложен метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с учётом несимметрии напряжения источника питания.

Расчету показателей несимметрии токов и напряжений, потерям и качеству электроэнергии в системах электроснабжения посвящены многие работы. Однако, в этих работах при определении показателей нессиметрии напряжений и токов не учитывается нессиметрия напряжений источников питания при использовании симметрирующих устройств. Этот недостаток исключен в предлагаемом методе, основанном на методе симметричных составляющих.

Схема замещения трёхфазной сети представлена на рис.1.

Ао-

Во-

Со-

N0

7=7 1га ^и — л2-> а

7 =7

—

2ло .Л'"2. -12 -

Тя

¿±710

Ней

ш

иа

*

1Н

и*

I'.

11с

Ъ*.

гс

I1..

I'-

1с,

г;

тг

Симметричная нагрузка

Неспммегри'чная V нагррка

ЛСУ — ¿СУ

Стше трирующее устройство

011

Рис.1. Трёхфазная схема замещения участка электрической сети 0,38 кВ с трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками с симметрирующим устройством

Для выполнения расчёта используются следующие исходные данные:

1) Симметричные составляющие прямой, обратной, нулевой последовательностей напряжений источника питания Ц,п, и_И1, Ц_110.

2) Полные комплексные сопротивления линии прямой, обратной, нулевой последовательностей гЛ], 7 ,,, гло.

3) Полные комплексные сопротивления симметричной нагрузки прямой, обратной последовательностей и симметрирующего устройства прямой, обратной и нулевой последовательностей 2)СУ, 2_1СУ, 70С1..

4) Полные комплексные сопротивления несимметричной нагрузки, распределенные по фазам 2_а, 2С.

В результате вычислений получены коэффициенты обратной и нулевой последовательностей напряжений в узле нагрузок и токов в линии при несимметричной системе напряжения источника питания:

_ Я2 ■ - 2эг • г2с + да ■ 7}т)

-го,-гэ, •(£2Жв+ £„•:£*}

(5)

Zn -\{ZP2 -Z32)-(g,Zc +g0^) + g> {IP2IU + z'02)| Z.P2 '[{Zpí ~¿31)' (g2 — D

(7)

^ _ /до ^ ¿n (^ocy -¿3o)(g,¿L +£2¿2v) + g0 (ZocyZ]0 +

где:

=3-Z32 'Z'JO +Zr0 + Z„0 *(—32 +Z.o); Z/-J ' \ ~ZH2 'Zyü = Zvi ~Zh 1 ' Zl2>

Zw=Za-Z,+Z.-Ze+Zc-Za; Zm =Z.+a-Z,+q -Zc; ZH2 = Za+a -Ze+q-Zc; ZHO=Za+Ze+Zc't Zg = Zvl ~Zoo 'Zh\> Zn 'Z$0 + ZiV ^ZhO '(^31 + ^3o)>

72 - 72 -7 ■ 7 ■ 7г —71 —7 ■7 • 72 = 72 - 7 • 7 •

£17" — ^.П —-//2 í±31> —Л/ ~ —11 —32 ¿Í//2' í±v2 ¿lh1 ¿131'

Z}S) 31 Z -: +Zra + Z,„ ' ( Z ■ Zj2)'Zíj 1 —3'Za Z,-Zc +Zra ■ +Z30) + Z,;o 'Z-52 "Zooi

7 7 _ У-110 'Zocy . 7 _ Z.7I 'Z/7 . 7 _ Z.72 ' Zp2 .

~ 7 ,7 ' 1 ~~ 7 +Z ' -32"/ +7 ' W

7 Г/

_ __ ь" . _ é±pl rr _ у-iio .

h-lzi ^M" lzi~ 7 ,7 ' — ovn~Tj >

U -7 У-1л —Р\ . 7 +7 ' ¿1771 —74 £¿31 _ ÍZ;/2 7 +7 _J72 Р2

Zx 7 -7 £±70 ¿¿ОСУ ; а

—770 + 2оСУ zm +ZP]

к N1 7' .7 _ £±: £±1СУ . 7' + 7 ' ¿L1 Т£11СУ i¿P2 7' .7 _ í=ll =£-2су . 7* 4-7 ' —2

7

— rt ft" • n — —ОСУ "Izo—ом/' Izo" 7 , 7 ■ —0 "¿ЮСУ

^a2 =3Z„Z.ZC + ZF0-(Z31 +гэо) + гяо2э1гэо, Zno = 3ZaZeZc +Z,0 ■ (Zji +z32)+zHOz31z32.

Выражения (5) - (9) справедливы не только в том случае, когда источником с нессиметричной системой напряжений является трансформатор потребительской ТП, но и любой другой пункт питания электрической сети. При этом следует иметь ввиду, что сопротивления в выражениях (5) - (9) будут определяться в виде суммы комплексных сопротивлений участка сети от источника с нессиметричной системой напряжений до узла нагрузки.

Из выражений (5) - (8) видно, что показатели несимметрии напряжений и токов зависят от параметров несимметричной и симметричной нагрузок, от параметров сети и ШСУ, а также от коэффициентов обратной и нулевой последовательностей источника питания. Для определения характера зависимостей коэффициентов К2и, К№, К21, Ка от показателей несимметрии напряжений

источника питания, проведены расчёты показателей несимметрии в сети 0,3 8кВ при различных значениях коэффициентов К1П1 и Кои1 на выходных зажимах трансформатора потребительской ТП мощностью 100 кВА со схемой соединения обмоток У/Ун; длина ВЛ 0,38кВ составляет 0,5км, марка провода А-240, сечения фазных и нулевого проводов одинаковы. Расчёты выполнены для двух значений коэффициента Коа1: 0,05 и 0,1; модуль коэффициента К1П1 изменялся в диапазоне от 1 до 10% через 1%.

В результате проведённых исследований (рис. 2) установлено:

1. Коэффициент К2и с увеличением К2ип возрастает по прямолинейной зависимости; он практически не зависит от КШ1.

2. Коэффициенты Кои и К01 с изменением К1ии остаются постоянными. Однако они существенно зависят от Ка:и.

3. Коэффициент К21 имеет более сложную зависимость от К1и1, имея минимум при К2и, = 5%.

К:1л% Кг, К:,. Ко,.

0"" 2 4 6 8 .........Г0 К;и,ц%

Рис.2. Зависимости показателей несимметрии напряжений и токов в сети 0,3 8кВ от показателей несимметрии источника питания: -при Каа, = 5%, -— при Коии = 10%.

Таким образом, изменение коэффициента обратной последовательности напряжения источника питания оказывает большое влияние на изменение коэффициентов К2и и К21 и практически не влияет на изменение коэффициентов Кои и Ка. Изменение коэффициента Коп, приводит к существенным изменениям коэффициентов кои и К,п и сравнительно небольшим изменениям коэффициентов К,,, и Къ в сети 0,3 8кВ.

В третьей главе «Определение параметров электрооборудования физической модели сети 0,38 кВ». Экспериментальным путём определены сопротивления прямой и нулевой последовательности силового трансформатора типа ТМГСУ, воздушной линии 0,38кВ, а также сопротивления прямой и обратной последовательностей трёхфазных асинхронных электродвигателей.

Получены зависимости сопротивлений прямой, обратной последовательности трёхфазного асинхронного электродвигателя от коэффициента его загрузки и коэффициента обратной последовательности напряжений.

На сельских потребительских подстанциях в основном применяются понижающие трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулём» (У/Ун), как самые дешёвые в изготовлении трансформаторы и экономичные в эксплуатации лишь при симметричной нагрузке. Однако, они обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, которое примерно в 10 раз больше сопротивления прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке в сети в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию фазных напряжений на выходных зажимах трансформатора и на нагрузке. В результате этого коэффициент нулевой последовательности напряжений Кои даже при небольшой несимметрии нагрузок превышает 2% - допустимое значение ГОСТом 13109 - 97. Кроме этого, увеличиваются потери мощности как в самом трансформаторе так и в линиях, отходящих от него.

Минский электротехнический завод наладил выпуск трансформаторов с симметирующим устройством У/Ун СУ двух типов ТМСУ (с маслорасширителем) и ТМГСУ (в герметичном исполнении) мощностью 25...250 кВА, которые применяются в электрических сетях Республики Беларусь.

Сопротивление нулевой последовательности трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун СУ примерно в 4 раза меньше сопротивления нулевой последовательности трансформатора У/Ун. Поэтому трансформаторы У/Ун СУ в большей мере обеспечивают симметричную систему фазных напряжений в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке.

Симметрирующее устройство (СУ) встраивается в трансформатор со схемой У/Ун. Данное устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун (рис.3).

Рис.3. Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора: 1 - трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора; 2 - обмотки высшего напряжения; 3 - обмотки низшего напряжения; 4 - компенсационная обмотка; 5 - дистанционные клинья; 6 - конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения; 7 - конец компенсационной обмотки, выводимый наружу

Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную мощность однофазной нагрузки. Она включена в рассечку нулевого провода трансформатора У/Ун из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках Фор трансформатора У/Ун полностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности Фок от симметрирующего устройства. Тем самым в конечном счете предотвращается перекос фазных напряжений.

В четвёртой главе «Экспериментальные исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети 0,38 кВ на физической модели» разработана экспериментальная установка, методика исследования потерь мощности и качественных показателей электрической энергии в сетях 0,38кВ. Проведены экспериментальные исследования потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений на физической модели сети 0,3 8кВ с силовым трансформатором со схемой соединением обмоток «звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством» (У/Ун СУ). Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в электрической сети 0,3 8кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания.

Целью экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформатором У/Ун СУ является установление уровня потерь мощности в трансформаторе и линии 0,38 кВ и показателей несимметрии токов и напряжений в сети с трансформаторами У/Ун СУ и У/Ун при несмметричной нагрузке. Для этого на кафедре электротехники и электроснабжения СПбГАУ была разработана экспериментальная установка, представляющая по существу натурно-физическую модель реальной сети 0,38 кВ. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис.4.

Достоинством этой экспериментальной установки является применение в ней реальных электротехнических устройств: силового трансформатора типа ТМГСУ номинальной мощностью 25 кВА с коэффициентом трансформации 1,0 и номинальным напряжением 0,4 кВ;

линии электропередачи, выполненной проводом марки СИП - 4 сечением 25 мм2, длиной 370 м;

несимметричной регулируемой активной нагрузки мощностью 25 кВт;

два трёхфазных асинхронных электродвигателя номинальной мощностью 4,5 кВт каждый, нагрузкой которых являются генераторы постоянного тока.

Измерения фазных и линейных напряжений, токов и активных мощностей производились в трёх точках установки:

- на входе трансформатора;

- на выходе трансформатора (на входе линии: точка XI, рисЗ);

- в узле нагрузок (на выходе линии: точка Х2, рис.3).

Все измерения осуществлялись с помощью трёх измерительных комплексов «Энергомнитор 3.3», имеющих класс точности 0,1, а также обычными показывающими приборами классом точности 0,5.

Рис.4. Электрическая схема экспериментальной установки для исследования потерь и показателей качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ

Одновременно производились измерения более 60 физических величин в каждом опыте. Всего проведено более 40 опытов.

Все опыты проводились для изолированной воздушной линии, выполненной проводом марки СИП - 4, сечением 4x25 мм2, длиной 370 м.

По результатам опытов были проведены расчеты (пример, табл.1).

Полученные результаты исследования трансформатора ТМГСУ сравнивались с результатами исследования трансформатора ТМГ со схемой соединения обмоток

У/Ун (без симметрирующего устройства). Все экспериментальные исследования проводились вдвоём с аспирантом Горбуновым Алексеем Олеговичем. Сравнение результатов исследования для двух трансформаторов приведено на графиках рис.5 - 8.

Таблица. 1

Результаты расчёта по данным измерений: изменяется однофазная активная нагрузка (симметричная нагрузка отсутствует)

Физическая Ед. Опыт Опыт Опыт Опыт Опыт

величина измер. №1 №2 №3 №4 №5

Р 1 эх Вт 1809 3005 4757 5864 6773

Рвых! Вт 1671 2830 4659 5663 6323

Рвы\2 Вт 1576 2596 4059 4757 5190

ДРт Вт 82 108 216 293 362

АРЛ Вт 95,6 233,2 600,1 906,3 1133,4

к* о.е. 1 1 1 1 1

Ко; о.е. 1 1 1 1 1

Крт о.е. 3,29 3,29 3,29 3,29 3,29

Крл о.е. 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00

Рн о.е. 0,063 ОД 04 0,162 0,19 0,208

Примечание к табл.1

дрт=Рвх -Рвых1 - потери мощности в трансформаторе;

дрл=рвых1 ~рвых2_ потери мощности в линии;

К21- коэффициент обратной последовательности токов;

Ки- коэффициент нулевой последовательности токов;

КР =1+К;+К,;,—— коэффициент потерь мощности в линии;

Я0т, Я„ - активные сопротивления нулевой и прямой последовательности трансформатора;

КР =1+1^+1^— - коэффициент потерь мощности в линии;

К1л

К0л, Я0л - активные сопротивления нулевой и прямой последовательности

линии;

р

Рн = ВЫХ2 - активная мощность нагрузки в относительных единицах.

При однофазной нагрузке коэффициенты обратной кЯ1 и нулевой ка, последовательностей токов для обоих типов трансформаторов равны единице (рис.5). Однако, коэффициенты потерь мощности для этих типов трансформаторов существенно отличаются: для трансформатора ТМГСУ КРт в 1,5 раза меньше, чем для трансформатора ТМГ У/Ун. Это объясняется тем, что сопротивление нулевой последовательности Я0 трансформатора ТМГСУ в четыре раза меньше трансформатора ТМГ У/Ун.

КяуКом, Крт, Крл, о.е.

Крт

Крл

-в—

Крл

Крт

К2И

'Ком"

; Кги Кои

Рн. о.е.

0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Рис.5. Зависимости коэффициентов Крт, Крл, К2|, K0i от величины Р* : изменяется однофазная активная нагрузка (симметричная нагрузка отсутствует):

----электрическая сеть с трансформатором Y/Yh ;

-электрическая сеть с трансформатором Y/Yh СУ

Потери мощности при однофазной нагрузке в трансформаторе ТМГСУ при Рн =0,18 в три раза меньше, чем в трансформаторе ТМГ Y/Yh (рис.6); при этом потери мощности в линии меньше в 1,4 раза.

лРт.дРл, Вт

0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Рис.6. Зависимости потерь мощности в трансформаторе и линии ДРт, ДРлот величины Р," (изменяется однофазная активная нагрузка, симметричная нагрузка

отсутствует):----электрическая сеть с трансформатором У/Ун;

-электрическая сеть с трансформатором У/Ун СУ

При трёхфазной несимметричной нагрузке коэффициент обратной последовательности напряжения К2Ш на выходе обоих типов трансформаторов не превышает 2%, а в узле нагрузок К2и2 он менее 4% (рис.7).

Рис.7. Зависимости коэффициентов Кги, Кои от величины Р,': изменяется однофазная активная нагрузка фазы «А», нагрузка фаз «В» и «С» постоянная (смметричная

нагрузка отсутствует):----электрическая сеть с трансформатор У/Ун;

-электрическая сеть с трансформатор У/Ун СУ

Коэффициенты нулевой последовательности Кои напряжений для этих типов трансформаторов имеют различные значения. Так, например, при Рн=0,6 коэффициент Кош на выходе трансформаторов для ТМГСУ равен 3%, а для ТМГ У/Ун 9%; в узле нагрузок коэффициент кош для этих трансформаторов соответственно равен 8,5% и 13% (рис.6).

Применение трансформатора ТМГСУ позволяет снизить отклонение напряжений в узле нагрузок. Так при однофазной нагрузке и Р," - 0,1 б отклонение

Рис.8. Зависимость отклонения напряжения от изменения однофазной нагрузки

(фаза А):----электрическая сеть с трансформатором У/Ун;

-электрическая сеть с трансформатором У/Ун СУ

Результаты расчета коэффициентов несимметрии напряжений и токов с учётом несимметрии напряжения источника питания (глава 2), а также эти же коэффициенты полученные в ходе экспериментов (глава 4) представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Определяемая величина Ед. измер. Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3

К2и2 расчет % 2,96 2,36 1,25

К2ш опыт % 3,31 2,65 1,43

Кош расчет % 12,5 9,55 4,72

Кош опыт % 10,94 8,52 4,03

Таблица 3

Коэффициенты несимметрии токов и потерь мощности

Определяемая Ед. Опыт Опыт Опыт

величина измер. №1 №2 №3

К2п расчет % 31,5 21,9 10,15

Кги опыт % 25 17 7

Коп расчет % 23,6 16,5 7,8

Кои опыт % 20 14 5

КРт расчет о.е. 1,169 1,082 1,018

Крт опыт о.е. 1,113 1,053 1,008

Как видно из таблиц 2 и 3 коэффициенты несимметрии напряжений и токов, коэффициенты потерь мощности можно определить расчётным путем, согласно изложенному методу, с достаточной точностью.

В пятой главе «Технико-экономические показатели применения в сельских сетях 0,38 кВ трансформатора с соединением обмоток У/Ун СУ» приведён метод расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов и расчёт экономического эффекта от снижения потерь.

1. Рассмотрим сельскую сеть 0,38 кВ, содержащую трансформатор потребительской ТП мощностью 100 кВА напряжением 10/0,4 кВ, У/Ун СУ и воздушную линию 0,38 кВ длиной 400 м.

2. Расчет снижения потерь электрической энергии, обусловленное уменьшением коэффициентов обратной и нулевой последовательностей токов в линии 0,38 кВ и трансформаторе:

= (Ю)

где - потери электроэнергии при начальной несимметрии токов;

Крн - коэффициент потерь мощности до симметрирования; Крк -

коэффициент потерь мощности после снижения несимметрии.

Электроэнергия передаваемая по электросети 0,38 кВ за год: =100-365-24 = 876000 кВт-ч/год. Принимаем потери в сельских сетях 0,38 кВ с трансформаторами У/Ун равными 10 %, получаем:

1ГН = 0,1-^„ =0,1-876000=87600 кВт-ч/год. Примем отношение коэффициентов потерь мощности Крк 1К?Н =1/1,5 по данным опыта.

По формуле (10):

-—1 = 29200 кВт-ч/год.

IV

3. Расчет экономического эффекта от снижения потерь электроэнергии в сети 0,38 кВ за счёт применения трансформатора У/Ун СУ.

Удельные затраты на потери электроэнергии в сетях зэ по данным ОАО «Ленинградская областная управляющая электросетевая компания» за 2009 г. в среднем равны 1,12 руб/кВт-ч.

Стоимость трансформаторов: -ТМГСУ-100/10 - 99500 руб; -ТМГ-100/10 - 95800 руб.

Таким образом, разница в стоимости трансформаторов составляет 3,7 тысячи рублей.

Срок окупаемости:

* лет; (И)

'ОК р

3 100

Тпк =——— = 0,113 лет. ок 1,12-29,2

Абсолютный годовой экономический эффект:

Э = -^--(1-0,12-Гж), тыс.руб, (12)

'ок

Э = • (1 - 0,12 • ОД 13) = 32,3 тыс.руб. 0,113 ^ ' ' > ' "

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования режимов работы сельских электрических сетей 0,3 8кВ, проведённые в Российской Федерации показали, что в сетях с коммунально-бытовыми нагрузками отклонения напряжения, показатели несимметрии напряжений в 2-2,5 раза превышают допустимые ГОСТом значения, кроме того, в трансформаторах и линиях С,38кВ возникают дополнительные потери электроэнергии, превышающие потери при симметричном режиме на 30-50%.

2. Разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания.

3. Для экспериментального исследования потерь и качества электроэнергии в сельских сетях 0,3 8кВ при несимметричной нагрузке разработана и смонтирована физическая модель электрической сети, включающая реальные электротехнические устройства: силовой трёхфазный трансформатор, линию электропередачи 0,3 8кВ, узел нагрузки, содержащий несимметричную нагрузку и трёхфазные асинхронные электродвигатели.

4. Проведены экспериментальные исследования потерь мощности и показателей несимметрии токов и напряжений на физической модели сети 0,38кВ с силовым трансформатором со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством» (У/Ун СУ). Опытным путём установлено, что исследуемый трансформатор У/Ун СУ обладает рядом преимуществ по сравнению с широко применяемым в сельском хозяйстве трансформатором У/Ун:

- он позволяет снизить потери мощности и электроэнергии в трансформаторе в 1,5 раза;

- повысить качество напряжения в сети 0,38кВ, уменьшая коэффициент нулевой последовательности напряжений в 2-4 раза в зависимости от вида нагрузки, а отклонения напряжения - на 8-10%.

5. Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в электрической сети 0,38кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания, которая показала сходимость результатов расчёта с опытными данными.

6. С целью снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,3 8кВ с коммунально-бытовыми нагрузками рекомендуется:

- во вновь строящихся электрических сетях устанавливать трансформаторы У/Ун СУ вместо трансформаторов У/Ун;

- в существующих сетях заменять отработавшие срок трансформаторы У/Ун на трансформаторы У/Ун СУ.

7. За счёт установки в трансформаторе У/Ун СУ симметрирующей обмотки он дороже трансформатора У/Ун в среднем на 4%. Дополнительные расходы окупаются за счёт снижения потерь электроэнергии в трансформаторе, примерно, за 2 месяца.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю. Определение параметров транформатора и линии 0,38кВ экспериментальным способом // Известия СЛбГАУ. - 2010.№20. - С.ЗЗЗ - 340.

2. Косоухов Ф.Д. Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Метод расчета показателей несимметрии напряжений и токов в сетях 0,38 кВ // Изв. вузов. Электоромеханика.2008., Спец выпуск. - С.156 - 159.

3. Косоухов Ф.Д., Теремецкий М.Ю., Филиппов А.О. Показатели несимметрии токов и напряжений в сельских электрических сетях 0,3 8кВ // Известия СПбГАУ - 2008.-№11. - С.238 - 243.

4. Теремецкий М.Ю. Экспериментальное исследование потерь и показателей качества электрической энергии в сельских сетях 0,3 8кВ // Известия СПбГАУ. -20Ю.№20. - С.328 - 333.

В других изданиях научных трудов

5. Косоухов Ф.Д., Горбунов А.О., Теремецкий М.Ю. Измерение показателей несимметрии напряжений и токов в сельских сетях 0,38 кВ. // В сб. Проблемы энергообеспечения предпритий АПК и сельских территорий. - Спб.: СПбГАУ. -2008.-С.6-10.

6. Теремецкий М.Ю., Горбунов А.О. Экспериментальная установка для исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сельской сети 0,38 кВ с трансформаторами У/Ун и У/Ун СУ. // В сб. Энергетический вестник СПбГАУ. - Спб.: СПбГАУ. - 2010. - С.32 - 36.

Отпечатано в типографии ООО «АМИГО-ПРИНТ» Подписано в печать17.02.2011. Формат 205x145 мм. Заказ № 475 Печать ризография. Гарнитура Times New Roman

Усл. изд. 0,72. Тираж 100 экз. Санкт-Петербург, ул. Розенштейна, д.21, офис 789

61 12-5/1609

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Г

ТЕРЕМЕЦКИЙ Максим Юрьевич '

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,38 кВ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРА «ЗВЕЗДА - ЗВЕЗДА С НУЛЁМ С СИММЕТРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ»

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КОСОУХОВ Ф.Д.

Санкт - Петербург - Пушкин - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................................6

Глава 1. Показатели несимметрии токов и напряжений и потерь

мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ............................11

1.1. Состояние вопроса.........................................................................11

1.2. Симметричные составляющие несимметричных трёхфазных систем токов и напряжений..................................................................13

1.3. Показатели несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ.. 17

1.4. Потери мощности в сети 0,38 кВ..................................................19

1.5. Потери напряжения в сети 0,38 кВ при несимметричной нагрузке .................................................................................................23

1.6. Влияние несимметрии напряжений и токов на работу электрооборудования............................................................................27

1.6.1. Силовые трансформаторы и линии электропередачи.............27

1.6.2. Асинхронные электродвигатели................................................28

1.6.3. Осветительные установки..........................................................30

1.7. Выводы по первой главе................................................................31

Глава 2. Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений

в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания......................32

2.1. Схемы прямой, обратной и нулевой последовательностей трёхфазной электрической сети с симметрирующим устройством ..........................................................................................32

2.2. Показатели несимметрии электрической сети с трёхфазными симметричной и несимметричной нагрузками и симметрирующим устройством...........................................................................................36

2.3. Показатели несимметрии электрической сети с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством.......42

2.4. Выводы по второй главе................................................................43

Глава 3. Определение параметров электрооборудования физической

модели сети 0,38 кВ...............................................................................44

3.1. Общие сведения..............................................................................44

3.2. Конструкция трансформатора с симметрирующим устройством............................................................................................45

3.3. Определение параметров трансформатора..................................49

3.3.1. Опыт холостого хода...................................................................50

3.3.2. Опыт короткого замыкания........................................................52

3.3.3. Экспериментальное определение сопротивления нулевой последовательности трансформатора ТМГСУ...................................55

3.4. Экспериментальное определение сопротивлений асинхронных двигателей..............................................................................................60

3.5. Определение параметров воздушной линии 0,38 кВ..................66

3.5.1. Конструктивные данные воздушной линии.............................66

3.5.2. Измерение параметров воздушной линии................................67

3.6. Выводы по третьей главе...............................................................70

Глава 4. Экспериментальные исследования потерь мощности и качества

электрической энергии в сети 0,38 кВ на физической модели.........71

4.1. Описание экспериментальной установки....................................71

4.2. Методика экспериментального исследования............................77

4.3. Результаты экспериментального исследования..........................78

4.3.1. Экспериментальные данные.......................................................78

4.3.2. Анализ результатов исследования.............................................85

4.3.3. Зависимости коэффициентов потерь мощности в линии и в трансформаторе от нагрузки................................................................87

4.3.4. Зависимости потерь мощности в трансформаторе и в линии от нагрузки..................................................................................................91

4.3.5. Зависимости показателей несимметрии напряжений от нагрузки..................................................................................................94

4.3.6. Зависимости отклонения напряжений от нагрузки.................99

4.4. Сравнение технических характеристик трансформаторов со схемой соединения обмоток У/Ун СУ с различными коэффициентами трансформации и уровни потерь в сети

0,38 кВ...................................................................................................100

4.5. Расчёт коэффициентов несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии источника питания................................................................................106

4.6. Выводы по четвёртой главе...........................................................110

Глава 5. Технико-экономические показатели применения в сельских сетях

0,38 кВ трансформатора с соединением обмоток Y/Yh СУ.............112

5.1. Методы расчёта снижения потерь электрической энергии в сетях 0,38 кВ за счёт снижения несимметрии токов.........................112

5.2. Расчёт экономического эффекта от снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38 кВ............................................................114

5.3. Выводы по пятой главе..................................................................115

Общие выводы...................................................................................................118

Литература..........................................................................................................120

Приложение 1. Определение симметричных составляющих

токов и напряжений к главе 2..............................................................128

Приложение 2. Экспериментальные данные для определения сопротивлений прямой и обратной последовательностей

асинхронного электродвигателя .........................................................142

Приложение 3. Экспериментальные данные для определения

сопротивлений воздушной линии........................................................146

Приложение 4. Экспериментальные данные по исследованию

режимов работы сети 0,38 кВ с трансформатором ТМГСУ.............150

Приложение 5. Результаты расчёта по экспериментальным данным: исследование режимов работы сети 0,38 кВ с трансформатором ТМГСУ...................................................................................................161

Приложение 6. Результаты расчёта по экспериментальным данным коэффициента потерь мощности трансформатора ТМГСУ и линии

0,38 кВ.....................................................................................................165

Приложение 7. Статистический анализ результатов.........................169

Приложение 8. Документы о внедрении результатов диссетрта-ционной работы.....................................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

В сельских электрических сетях с коммунально-бытовыми нагрузками применяются в основном трансформаторы потребительских ТП со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулём», которые обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, примерно в 10 раз превышающее сопротивление прямой последовательности. Поэтому при несимметричной нагрузке фаз в этих трансформаторах возникает значительное напряжение нулевой последовательности, вызывающее несимметрию трёхфазных напряжений на выходе трансформатора. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности трансформаторов в большинстве случаев превышает в 2...2,5 раза допустимое ГОСТом 13109-97 значение. При величине коэффициентов несимметрии токов обратной и нулевой последовательности в сети, равной 25...30%, потери мощности и электрической энергии в линиях 0,38 кВ и трансформаторах потребительских ТП возрастают на 30...50 % по сравнению с симметричным режимом.

Таким образом, решение задач энергосбережения и улучшения качества электрической энергии в низковольтных сетях 0,38 кВ тесно связано с проблемой снижения несимметрии токов в этих сетях.

4 июня 2008 года Президент Российской Федерации подписал указ №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» [63]. Согласно этому указу в целях снижения энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации, обеспечение рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоёмкость российской экономики к 2020 году должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 годом. Президент поручил Правительству Российской Федерации принять меры по техническому регулированию, направленные на повышение энергетической и экологической эффективности в электроэнергетике, строительстве и ряде других отраслей.

Данный указ Президента РФ является руководящим документом для всех электросетевых компаний России на ближайшие двенадцать лет, в течение которых предстоит повысить эффективность транспорта и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран. Это довольно сложная задача, поскольку в настоящее время потери электроэнергии в сетевом комплексе ЕЭС России составляют -15 %, то есть находятся на уровне электрических сетей стран Африки. Чтобы решить аналогичную задачу Германии потребовалось тридцать лет, Японии -двадцать пять лет [12].

В Федеральном законе Российской Федерации №261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» отмечается: «Значение целевых показателей в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности должны отражать сокращение потерь энергетических ресурсов при их передаче».

Стратегическим направлением снижения технических потерь электроэнергии в электрических сетях являются их техническое перевооружение, модернизация, создание и внедрение новых технологий передачи и распределения электроэнергии [6].

Большой вклад в разработку методов расчёта и способов снижения потерь электроэнергии в сетях 0,38кВ, повышения качества электрической энергии внесли учёные-электроэнергетики: Рожавский С.М., Шидловский А.К., Милях А.Н., Кузнецов В.Г., Жежеленко И.В., Косоухов Ф.Д., Пястолов A.A., Ерошенко Г.П., Бородин И.Ф., Сердешнов А.П., Кисель О.Б., Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Мельников H.A., Наумов И.В., Попов Н.М. и другие.

Исследование несимметричных режимов сельских сетей 0,38 кВ проводилось целым рядом научно-исследовательских организаций и учебных заведений нашей страны, имеется достаточно большое число публикаций по

этой теме [3, 4, 7, 30, 40, 52, 53]. Однако, эти исследования носят, как правило, односторонний характер и не рассматривают проблему потерь и качества электрической энергии в целом. Так, например, повышение качества напряжения за счет снижения уровня несимметрии напряжений рассматривалось в отрыве от проблемы снижения потерь мощности и энергии в сети, и наоборот, вопросы снижения потерь не затрагивали проблему несимметрии напряжений.

Существующие симметрирующие устройства для улучшения показателей качества электрической энергии по различным причинам не нашли массового применения. В то же время анализ статистических показателей качества электрической энергии трансформаторов 10/0,4 кВ показал, что у трансформаторных подстанций коэффициенты несимметрии выше допустимых значений и они нуждаются в установке симметрирующего устройства. Поэтому проблема уменьшения несимметрии и снижения потерь в сельских сетях 0,3 8кВ при несимметричной нагрузке является актуальной. Применение трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда - звезда с нулём с симметрирующим устройством» (У/Ун СУ) может стать одним из способов её решения.

Цель работы. Снижение потерь и повышение качества электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке с помощью трансформатора У/Ун СУ.

Задачи исследования:

1) Разработка метода расчета показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжения источника питания;

2) Создание физической модели сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;

3) Проведение экспериментальных исследований потерь мощности, качества электрической энергии на физической модели сети 0,38 кВ с трансформатором У/Ун СУ и У/Ун;

4) Технико-экономические показатели применения трансформатора У/Ун СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ.

Объект исследования. Электрические сети 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток У/Ун СУ.

Предмет исследования. Потери и качественные показатели электроэнергии в сетях 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения обмоток У/Ун СУ.

Методы исследования. В работе использовались метод симметричных составляющих, модульный метод расчета симметричных составляющих токов и напряжений, методы статистической оценки, теория электрических цепей, средства компьютерного моделирования.

Основные положения диссертации выносимые на защиту:

1) Метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ с симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;

2) Физическая модель сельской сети для экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети с трансформаторами У/Ун СУ, У/Ун;

3) Результаты экспериментального исследования потерь мощности и качественных показателей электроэнергии в сети;

4) Технико-экономические показатели применения трансформатора У/Ун СУ для снижения потерь и повышения качества электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ„

Научная новизна работы: 1) Разработан метод расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сети 0,38 кВ с трёхфазной несимметричной нагрузкой и

симметрирующим устройством с учётом несимметрии напряжений источника питания;

2) Проведена экспериментальная проверка метода расчёта показателей несимметрии токов и напряжений в сельской сети 0,38 кВ;

3) Разработана физическая модель сельской сети 0,38 кВ для экспериментального исследования потерь мощности и качества электрической энергии в сети;

4) Получены результаты экспериментального исследования потерь мощности и качества электроэнергии в сети 0,38 кВ с трансформаторами Y/Yh СУ и Y/Yh.

Внедрение результатов исследования. Рекомендации по применению в электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовыми нагрузками трансформатора со схемой соединения обмоток Y/YH СУ приняты к внедрению в филиале ООО «Энергоконтроль» «Гатчинское отделение».

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров-электриков по специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Научная апробация работы. Основные положения и результаты научной работы докладывались и обсуждались на XXX сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования» в Южно-Российском государственном техническом университете г.Новочеркасск, 24-25 сентября 2008 г., а также на научных конференциях СПбГАУ 2007-2010 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 70 наименований, 8 приложений, включает 175 страниц, 36 рисунков, 53 таблиц.

ГЛАВА 1. ПОКАЗАТЕЛИ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ И ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И НАПРЯЖЕНИЯ В

СЕЛЬСКИХ СЕТЯХ 0,38 кВ

1.1. Состояние вопроса

Сельские сети 0,38 кВ имеют ряд отличительных особенностей, например, от городских сетей 0,38 кВ:

- небольшая плотность электрических нагрузок, в связи с этим большая протяженность линий 0,38 кВ и сравнительно малая номинальная мощность распределительных трансформаторов 6(10)/0,4 кВ;

- неравномерное распределение однофазных нагрузок по фазам трёхфазных линий, что приводит к значительной несимметрии токов в сети 0,38 кВ;

- применяемые в сельских сетях распределительные трансформаторы со схемой соединения обмоток У/Ун обладают большим сопротивлением нулевой последовательности, которое примерно в 10 раз больше сопротивления прямой последовательности; в результате этого значительная несимметрия токов в трёхфазной сети приводит к искажению системы вторичных напряжений: коэффициент нулевой последовательности напряжений в несколько раз превышает допустимое ГОСТом 13109-97 значение.

Эти особенности сельских сетей 0,38 кВ мы учитывали при разработке мероприятий по снижению потерь и повышению качества электрической энергии.

Измерения показателей качества электрической энергии на шинах низкого напряжения трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кВ, питающих коммунально-бытовую нагрузку в Кировском районе Ленинградской области, произведённые аспирантами Энергетического факультета СПбГАУ в 2004-2005 и 2007 годах показали значительную несимметрию то