Опыт эксплуатации: влияние несимметрии нагрузки на работу электрических сетей и потребителей электроэнергии

Приведена оценка влияния несимметрии фазных нагрузок на пока­затели качества электроэнергии. Показана эффективность использо­вания трансформаторов с симметрирующей обмоткой, включенной в нулевой провод для снижения несимметрии напряжений.

Несимметрия фазных нагрузок существенно влияет на регламенти­руемые ГОСТ 13109-97 показатели качества электроэнергии - уста­новившееся отклонение напряжении и коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательности. Основная масса коммунально-бытовых потребителей относится к категории однофазных. В настоящее время наблюдается рост количества и еди­ничной мощности однофазных электроприемников (стиральные ма­шины, нагревательные приборы и т.д.). Причем время их включения непредсказуемо, что в принципе исключает возможность наличия одинаковой нагрузки всех трех фаз. На рис. 1 представлен суточный график пофазного потребления активной мощности многоквартирно­го дома, в котором к каждой фазе присоединено практически одина­ковое количество однотипных квартир.

Как видно из рисунка, в некоторые отрезки времени нагрузки от­дельных фаз отличаются друг от друга в три раза. Соответственно, в три раза будут отличаться падения напряжений в питающей сети, что может привести к несоответствию напряжений ГОСТ 13109-97, рег­ламентирующему установившееся отклонение напряжения с 95%-ой вероятностью, не превышающее + 5% от номинального напряжения. А это значит, что если в течение времени наблюдения (не менее 24 часов) суммарное время выхода напряжения за указанные пределы составит более 72 минут, то потребляемая электроэнергия не соот­ветствует нормированным показателям качества.

Значительное влияние на несимметрию напряжений оказывает сопротивление нулевого провода. На рис. 2 показаны схемы подклю­чения несимметричной нагрузки при исправном нулевом проводе (а) и при его обрыве (б). Если в первом случае несимметрия напряжений будет обусловлена, в основном, различными падениями напряжения в фазных обмотках трансформатора и проводниках, то во втором случае линейное напряжение Uac будет приложено к последователь­но включенным фазным нагрузкам фаз А С, отличающимся друг от друга в 3 раза, (фаза В на рисунке не показана). При этом напряже­ние у потребителей фазы А будет составлять около 285 В, а у потре­бителей фазы С - 95 В.

Обрыв нулевого провода при несимметричной нагрузке является наиболее частой причиной выхода из строя электроприемников по­требителей из-за высокого напряжения.

Следует отметить, что не только обрыв, но и увеличение сопротив­ления нулевого провода (например, из-за окисления контактных со­единений) увеличивает перекос фазных напряжений при несиммет­ричной нагрузке. Отсюда следует необходимость контроля сопротив­ления петли "фаза-ноль".

При наличии несимметричной нагрузки появляются дополнитель­ные потери электроэнергии как в нулевом проводе, так и в проводах фаз. Кроме того, увеличиваются потери и в питающем трансформа­торе из-за нагрева его бака магнитными потоками нулевой последо­вательности.

Эффективным средством снижения несимметрии напряжений и обеспечения требований ГОСТ 13109-97 является использование трансформаторов с симметрирующей обмоткой, включенной в нуле­вой провод. В литературе [2] показана эффективность использования таких трансформаторов с точки зрения снижения потерь электро­энергии как в самих трансформаторах, так и в питаемых ими электри­ческих сетях. Оценка эффективности основана на измерениях потерь короткого замыкания и расчетах с использованием метода симмет­ричных составляющих. Для оценки влияния трансформатора с сим­метрирующим устройством (СУ) на степень несимметрии фазных на­пряжений и определения снижения полных потерь в трансформато­рах в Приволжских сетях ОАО "Сетевая компания" были произведе­ны соответствующие измерения. В качестве экспериментальной базы использовалась схема хозяйственных нужд подстанции "Аэропорт" Приволжских электрических сетей ОАО "Сетевая компания" (см. рис. 3). В качестве испытуемых трансформаторов использовались трансфор­маторы типа ТМГ 160 кВА 10/0,4 и ТМГ су 160 кВА 10/0,4.

Схема измерения строилась по принципу измерения мощности, подаваемой на трансформатор и снимаемой с трансформатора. Разница мощностей представляет значение потерь. Мощность, пода­ваемая на трансформатор, определялась по данным АИИСКУЭ ПС "Аэропорт" за вычетом потерь в питающей кабельной линии 10 кВ. Отдаваемая мощность (0,4 кВ), напряжения и токи фаз, среднего фазного тока I,, ток нулевой последовательности измерялись с помо­щью прибора "Энергомонитор 3.3" с метрологическими характерис­тиками для измерения показателей качества электроэнергии, соот­ветствующими требованиям ГОСТ 13109-97

Задание несимметрии нагрузки выполнялось временным переклю­чением отопительных приборов на фазу А 0,4 кВ, а также подключе­нием дополнительной нагрузки в виде тепловентиляторов - 10 шт. общей мощностью до 20 кВт. Суммарное потребление составляло 115 кВт.

Результаты измерений показали значительную компенсацию не­симметрии напряжений трансформатором с симметрирующими об­мотками (рис. 4).

Как видно из рисунка, разность потерь мощности в сравниваемых трансформаторах существенно зависит от степени несимметрии на­грузки. При 1₀Д = 0,25 при нагрузке 115 кВт эта разность составит 2,35%, т.е. 2,7 кВт. Если принять число часов использования указан­ной выше нагрузки 2000 ч. в год, то снижение потерь электроэнергии составит 5405 кВт-ч/год. Тогда только за счет снижения потерь элек­троэнергии в самих трансформаторах разница в их стоимости оку­пится менее чем за 1,5 года.

Еще одним положительным фактором использования рассматри­ваемых трансформаторов является повышение надежности электро­снабжения по следующим причинам:

• Трансформаторы с симметрирующими обмотками не перегре­ваются потоками нулевой последовательности при несимметричной нагрузке, что уменьшает вероятность их повреждения.

• Трансформаторы с симметрирующими обмотками имеют в три раза меньшее, чем обычные, сопротивление нулевой последователь­ности. При этом возрастает величина токов однофазных коротких замыканий, что обеспечивает более надежное их отключение.

Поэтому для оценки эффективности применения рассматриваемых трансформаторов целесообразен расчет снижения вероятностного ущерба из-за отказов оборудования (затраты на восстановление по­врежденного оборудования, ущерб от недоотпуска электроэнергии).

Однако главным результатом применения трансформаторов с симметрирующими обмотками является значительное расширение возможности обеспечения нормируемых показателей качества элек­троэнергии - установившегося отклонения напряжения и коэффициен­та его несимметрии.

Выводы:

1. Трансформаторы с симметрирующими обмотками позволяют в значительной степени компенсировать несимметрию напряжений по фазам. Однако выполнение требования ГОСТ 13109-97 по нормаль­но допустимому коэффициенту несимметрии (2%) возможно только при определенной степени несимметрии нагрузки. В рассматривае­мом случае значение \J\_Q не должно превышать 0,19 (см. рис. 2).
Поэтому использование трансформаторов с симметрирующими об­мотками не исключает необходимости выравнивания нагрузок путем равномерного распределения их по фазам.

2. При наличии однофазных нагрузок (жилищно-коммунальный сектор, предприятия торговли и т.д.) для обеспечения требований ГОСТ 13109-97 и осуществления обязательной сертификации электроэнергии целесообразно использование только трансформаторов с симметрирующими обмотками, компенсирующих изменяющуюся во времени несимметрию фазных напряжений.

Литература

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость техни­ческих средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. А. Сердешнев, И. Протсовицкий, Ю. Леус, П. Шумера. Симмет­рирующее устройство для трансформаторов. Средство стабилиза­ции напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ. // Новости элект­ротехники - 2005. - №31. - С. 69-71.

Дата добавления: 2015-06-27