Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор причин возникновения и способов снижения высших гармонических составляющих тока сети 0,38 кВ 9
1.1 Причины возникновения высших гармонических составляющих тока в электрических сетях 9
1.2 Отрицательные эффекты от высших гармоник тока в сети 0,38 кВ 13
1.3 Способы подавления высших гармонических составляющих тока 19
1.4 Методы расчетов и математические модели несинусоидальных режимов сети 0,38 кВ 33
1.5 Обоснование научной гипотезы, цель работы и задачи исследования 35
2 Экспериментальные исследования показателей качества электроэнергии в современных электрических сетях 0,38 кВ 37
2.1 Методика проведения экспериментальных исследований показателей качества электроэнергии 37
2.1.1 Программа экспериментальных исследований 37
2.1.2 Аппаратное обеспечение при проведении эксперимента 38
2.1.3 Методика экспериментальных исследований 39
2.2 Результаты исследований ПКЭ на головном участке сети 0,38 кВ 42
2.3 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 48
2.4 Графическая интерпретация результатов экспериментальных исследований 60
2.5Выводы по главе 76
3 Математическое моделирование процесса возникновения высших гармоник в сети 0,3 8 кВ 78
3.1 Структура энергетических процессов в сети 0,38 кВ при возникновении гармонических токов 78
3.2 Основные уравнения, отражающие энергетические процессы в сети 0,38 кВ 84
3.3 Моделирование процессов в среде Electronics Workbench 90
3.4 Моделирование процессов в среде MathCAD 96
3.5 Выводы по главе 112
4 Разработка технических средств для улучшения показателей качества электроэнергии с одновременным снижением потерь 114
4.1 Устройство для уменьшения третьей гармонической составляющей тока нейтрали сети 0,38 кВ 114
4.2 Электромагнитный компенсатор высших гармонических токов на участке сети 0,3 8 кВ 118
4.3 Физическое моделирование устройства для уменьшения третьей гармонической составляющей тока нейтрали 120
4.4 Результаты производственных испытаний устройства для уменьшения третьей гармонической оставляющей тока нейтрали 126
4.5 Технико-экономическая оценка разработанного технического средства 134
4.6 Рекомендации по применению 140
4.7 Выводы по главе 141
Общие выводы 142
Литература... 144
Приложения 168
- Отрицательные эффекты от высших гармоник тока в сети 0,38 кВ
- Графическая интерпретация результатов экспериментальных исследований
- Основные уравнения, отражающие энергетические процессы в сети 0,38 кВ
- Электромагнитный компенсатор высших гармонических токов на участке сети 0,3 8 кВ
Введение к работе
Одним из решений задач увеличения внутреннего валового продукта страны наряду с расширением генерирующих мощностей в электроэнергетике является энергосбережение. Под энергосбережением понимается комплекс мер по уменьшению потерь при передаче и распределении электроэнергии. Важным фактором энергосбережения является качество электроэнергии (КЭ).
Электрическая энергия как товар используется в различных сферах жизнедеятельности человека. Она обладает рядом специфических свойств и непосредственно участвует в производстве других товаров, влияя на их качество. Понятие КЭ отличается от понятия качества других видов продукции.
Наибольшие проблемы, в том числе и по требуемым материальным затратам, возникают с такими ПКЭ, как несимметрия и несинусоидальность напряжения. Исследования, начинающие проводиться в различных энергосистемах, показывают, что на шинах электростанций напряжение, как правило, не содержит искажений по указанным показателям. Передающие сети чаще всего не вносят существенных искажений напряжения по этим ПКЭ.
Основными виновниками ухудшения КЭ'по несимметрии и несинусоидальности являются однофазные и нелинейные электроприемники, генерирующие токи обратной последовательности и токи высших гармоник, распространяющихся по всей сети 0,38 кВ.
На сегодняшний день в сельскохозяйственной сфере Российской Федерации наблюдается рост бытовых нагрузок на фоне резкого спада производ-ственных мощностей. Это вызвало снижение в 4 раза общего электропотребления в этой сфере по отношению к 1990 году. Это явление как следствие вызвало изменение структуры электропотребления в сельском хозяйстве. Сейчас около 23,4 млрд. кВтч в год приходится на бытовой сектор, что составляет 57% [220].
К электрической сети 0,38 кВ сейчас активно стали подключаются реализованные на новой элементной базе электроприемники, вольтамперные характеристики которых нелинейны. В результате чего в сети появляются высшие гармоники, циркуляция которых приводит к ряду эксплуатационных и экономических ущербов. Практические исследования, полученные в Краснодарском крае, наглядно показывают несоответствие значений отдельных ПКЭ по несинусоидальности и несимметрии напряжения требованию ГОСТа 13109-97 [74].
Циркуляция токов высших гармоник в сети способствует:
Возникновению дополнительных потерь активной мощности во элементах систем электроснабжения (СЭС) (в линиях электропередачи (ЛЭП), трансформаторах, электрических машинах, статических конденсаторах);
Ускоренному старению изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей;
Нарушению правильной работы средств токовой защиты;
Ухудшению коэффициента мощности электроприёмников;
Сокращению срока службы конденсаторных установок;
Дополнительным погрешностям счетчиков электроэнергии, которые вызывают некорректный учет потребляемой электроэнергии;
Ухудшению электромагнитной обстановки в зданиях;
Помехам в слаботочных линиях связи.
В последнее время стали появляться публикации и разработки, направленные на уменьшение уровня высших гармоник в сети 0,38 кВ но, несмотря на это, полного комплексного решения данной проблемы нет. Поэтому актуальность темы диссертации очевидна.
Цель работы - уменьшение энергопотерь и улучшение КЭ при электроснабжении потребителей путем компенсацией высших гармонических составляющих тока нейтрали в сети 0,38 кВ.
Задачи исследования
Выполнение анализа существующих способов и средств улучшения синусоидальности и симметрии токов сети 0,38 кВ.
Проведение экспериментальных исследований ПКЭ в действующей сети 0,38 кВ при несимметричной и нелинейной нагрузке.
Разработка математической модели сети 0,38 кВ, питающей несимметричную и нелинейную коммунально-бытовую нагрузку, а также принципа и метода снижения потерь электроэнергии за счет компенсации высших гармонических составляющих тока нейтрали.
Исследование режимов работы и условия возникновения максимальной энергоэффективности при компенсации гармонических составляющих тока нейтрали сети 0,38 кВ.
Оценка технико-экономической эффективности применения разработанных технических средств компенсации высших гармонических составляющих тока нейтрали сети 0,38 кВ.
Объектом исследования являются распределительные электрические сети 0,38 кВ, питающие коммунально-бытовых потребителей.
Предметом исследования являются закономерности ПКЭ и потерь электрической мощности в распределительной электрической сети 0,38 кВ.
Научная гипотеза — повышение энергоэффективности электропередачи и улучшение ПКЭ в электрической сети 0,38 кВ за счет компенсации третьей гармонической составляющей тока нейтрали.
Рабочая гипотеза — изменяемый сигнал в зависимости от нагрузки тока третьей гармоники, генерируемый в противофазе к аналогичной составляющей тока нейтрали электрической сети 0,38 кВ, приводит к повышению энергоэффективности электропередачи и улучшению ПКЭ в электрической сети 0,38 кВ.
Научная новизна заключается в: - разработке математической модели распределительной сети 0,38 кВ при несимметричной и несинусоидальной коммунально-бытовой нагрузке;
- разработанном методе снижения третьей гармонической составляющей
тока нейтрали сети 0,38 кВ, позволяющем улучшить ПКЭ и уменьшить поте
ри электроэнергии;
- обоснованных режимах работы устройств компенсации высших гармоник, обеспечивающих повышение энергоэффективности электропередачи.
Техническая новизна предложенных разработок защищена патентами РФ №2334298 зарег. 20.09.2008г. и №2346370 зарег. 10.02.2009г.
Практическая ценность работы:
получены статистические результаты о несинусоидальности форм кривых напряжения и тока в действующих сетях напряжением 0,38 кВ, питающих коммунально-бытовых потребителей;
создан механизм реализации подавления гармоник тока сети 0,38 кВ, позволяющий снижать потери электроэнергии и повышать ПКЭ;
разработанный метод компенсации третьей гармонической составляющей тока нейтрали в сети 0,38 кВ используется в ОАО «Кубаньэнерго» филиал Тихорецкие электрические сети и в ОАО «НЭСК-электросети» филиал «Тихорецкэл ектросеть».
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА на кафедре «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства».
Компенсатор 3-ей гармонической составляющей тока нейтрали внедрен в ОАО «Кубаньэнерго» филиал Тихорецкие электрические сети и в ОАО «НЭСК-электросети» филиал «Тихорецкэлектросеть».
На защиту выносятся:
Статистические результаты экспериментальных исследований о несинусоидальных кривых напряжения и тока в действующей сети 0,38 кВ.
Математическая модель распределительной сети 0,38 кВ, питающей коммунально-бытовых потребителей при несимметричном и несинусоидальном режиме ее работы.
Устройство, нормализующее ПКЭ в сети 0,38 кВ.
8 4. Режимы работы устройства, нормализующего ГЖЭ и обеспечивающего наибольшую энергоэффективность электропередачи в сети 0,38 кВ.
В первой главе «Аналитический обзор причин возникновения и способов снижения высших гармонических составляющих тока в сети 0,38 кВ» рассмотрены причины возникновения высших гармонических составляющих тока в электрических сетях, отрицательные эффекты от высших гармоник тока и способы их подавления, а также методы расчета и математические модели несинусоидальных режимов сети.
Во второй главе «Экспериментальные исследования показателей качества электроэнергии в современных электрических сетях 0,38 кВ» приведены методика проведения эксперимента для сбора данных ГЖЭ, результаты исследования ПКЭ на головном сети 0,38 кВ, питающей коммунально-бытовых потребителей, произведенная статистическая обработка и графическая интерпретация результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе «Математическое моделирование процесса возникновения высших гармоник сети 0,38 кВ» приведены структура энергетических процессов, основные уравнения, отражающие энергетические процессы, результаты моделирования в среде Electronic Workbench и MathCAD и дана оценка математической точности моделирования.
В четвертой главе «Разработка технических средств для улучшения показателей качества электроэнергии с одновременным снижением потерь» представлены устройства для уменьшения высших гармонических составляющих тока в сети 0,38 кВ, физическое моделирование, результаты производственного испытания компенсатора 3-й гармоники тока и экономическая оценка внедрения компенсатора в действующие электросети 0,38 кВ.
Отрицательные эффекты от высших гармоник тока в сети 0,38 кВ
Высшие гармонические составляющие в токах нелинейных электропотребителей в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности отрицательно влияют на работу систем автоматики и телемеханики, снижают экономичность и надежность работы электрических сетей, уменьшают срок службы электрооборудования и приводят к ряду нежелательных [34, 35, 36, 37, 38, 39, 150, 162, 172, 182], а в иных случаях и к катастрофическим последствиям [40]. Циркуляция высших гармоник в сети приводит к следующим отрицательным эффектам: дополнительные потери в трансформаторах и проводах СЭС и падения напряжения в элементах сети, перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников линий электропередачи, искажение синусоидальности питающего напряжения, ухудшение условий работы батарей конденсаторов и увеличение потерь в них, сокращение срока службы электрооборудования, необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей и влияние на системы учета электроэнергии, возникновение помех в сетях телекоммуникаций, на высших частотах могут возникать резонансные явления.
Гармоники приводят к значительным потерям энергии [111, 131] и могут явиться причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева [51]. Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву [127]. Срок службы трансформатора зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать трансформатор на всю его номинальную мощность [136], ее приходится занижать [72, 73]. Высокочастотные гармоники тока — это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора. Для линейных нагрузок потери на вихревые токи составляют в общих потерях приблизительно 5%, с нелинейной нагрузкой они иногда возрастают в 15-20 раз [150]. При подключении к силовым трансформаторам нелинейной нагрузки требуется увеличение их установочной мощности или применение специальных К-фактор трансформаторов [55]. К-фактор трансформаторы отличаются от стандартных тем, что имеют дополнительную теплоемкость, позволяющую выдержать нагревание, вызванное высшими гармониками тока. Помимо этого, специальная конструкция такого трансформатора позволяют свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости [56]. Аналогично при наличии высших гармоник происходит увеличение активного сопротивления [103] и в проводах СЭС. В кабельных линиях также имеют место дополнительные потери, связанные с увеличением потерь в диэлектрическом материале кабеля [27, 41, 42]. В электрических машинах высшие гармоники приводят к появлению добавочных потерь в обмотках и в магнитопроводах статора и ротора. Потери в меди при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением, из-за вихревых токов и поверхностного эффекта. Также увеличиваются токи утечки в торцевых зонах статора и ротора. Все это при водит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам в большинстве случаев в роторе. Следует отметить, что при определенных условиях эксплуатации несинусоидальность напряжения и тока может приводить к механической вибрации ротора. Продольное сопротивление электрической сети имеет активно-индуктивный характер. Как известно, индуктивность зависит от частоты. Следовательно, при большой доле высших гармоник падение напряжения возрастает относительно своего допустимого значения [13, 46, 47,48].
Перегрузка токами третьей гармоники происходит тогда, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников. Вначале электрификации страны СЭС проектировались только под линейную нагрузку, т.е. потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику. Следовательно, ток в нулевом рабочем проводнике не мог превосходить ток в наиболее нагруженной фазе, т.е. защита на фазных проводниках одновременно защищала от перегрева и нулевой рабочий проводник. В случае работы нелинейных электропотребителей токи в нулевых рабочих проводниках превышают фазные (предельно - в. 1,73 раза, когда ширина импульса тока равна 60 электрическим градусам). Поэтому значения длительно допустимых токов в случае работы нелинейных электропотребителей должны быть снижены. На корпусах электрооборудования, подключенного к нулевому проводу, могут возникать напряжения, оказы г вающие при прикосновении раздражающее действие на человека. Токи в нулевых рабочих проводниках могут быть больше, чем токи в. фазных проводниках. Это объясняется тем, что при симметричной нагрузке фазные токи основной частоты и все высшие гармоники, за исключением высших гармоник порядка, кратного трем, образуют системы прямой и обратной последовательностей и дают в сумме ноль [50]. Гармоники же порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности, т.е. имеют в любой момент времени одинаковые значения и фазы. Поэтому ток в нейтральном проводе равен утроенной сумме токов высших гармоник, кратных трем. Таким обра зом, при несинусоидальной симметричной нагрузке ток в нулевом рабочем проводнике будет равен: где /3, Ід /15 - действующие значения соответствующих гармоник тока; 13п - действующие значения гармоник, кратных трем.
При линейной, даже самой мощной нагрузке, ток в нулевом рабочем проводнике будет меньше, чем максимальный ток в фазных проводниках. Совсем иная ситуация при наличии нелинейных нагрузок, в этом случае ток в нулевом рабочем проводнике может превышать ток в фазе более чем в 1,5 раза.
Графическая интерпретация результатов экспериментальных исследований
Смирнова, составляет 0,046, что удовлетворяет условие р 0,05, поэтому выборка коэффициента 15-ой гармонической составляющей напряжения можно считать подчиняющуюся логарифмически нормальному распределению.
Как следует из таблицы 2.16, вероятность ошибки, полученная в результате теста Z Колмогорова-Смирнова, составляет 0,041, что удовлетворяет условие р 0,05, поэтому выборка коэффициента 21-ой гармонической составляющей напряжения можно считать подчиняющуюся логарифмически нормальному распределению. Таблица 2.17- Одновыборочный критерий Колмогорова-Смирнова
Как следует из таблицы 2.17, вероятность ошибки, полученная в результате теста Z Колмогорова-Смирнова, составляет 0,044, что удовлетворяет условие р 0,05, поэтому выборка коэффициента несимметрии напряжения по нулевой последовательности можно считать подчиняющуюся логарифмически нормальному распределению.
Как следует из таблицы 2.18, вероятность ошибки, полученная в результате теста Z Колмогорова-Смирнова, составляет 0,045, что удовлетворяет условие р 0,05, поэтому выборка коэффициента третьей гармонической составляющей тока нейтрали можно считать подчиняющуюся логарифмически нормальному распределению.
Представленные экспериментальные функции распределения значений данных ПКЭ удовлетворительно аппроксимируются логарифмически нормальным где тг, тх- параметры закона распределения соответствующих величин, стандартное отклонение и математическое ожидание. Представим законы распределения плотности вероятности для исследуемых величин: лично. Например, уровень гармоник, кратных основной частоте, составил Зп -35%, 5п-30 %, 7п - 13%, 9п - 7%, 11п - 4 % и др.
Математическое ожидание суточного изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой фазного тока свидетельствует о том, что увеличение нелинейности происходит в периоды роста электрической нагрузки (рисунок 2.19). Результаты статистической обработки позволяют определить коэффициент искажения синусоидальности кривой фазного тока по регрессионной зависимости (рисунок 2.20) с высокой корреляционной зависимостью, равной 0,76.
Аналогично проранжировав данные о суточных изменениях коэффициента загрузки и наиболее выраженных гармонических составляющих в спектре фазного тока, получили, что эти коэффициенты изменяются по уравнению полиноминального вида 4 степени (рисунок 2.22-2.23).
Наиболее выраженные гармонические составляющие (3-я и 5-я гармоники) в спектре фазного тока можно определить по степени загрузки силового трансформатора регрессионными зависимостями (рисунок 2.18-2.19) с корреляционными связями 0,78 и 0,74 соответственно).
Ток, протекающий через поперечные проводимости электрической сети, нами назван током небаланса. Его можно измерить, поместив в окно маг-нитопровода все фазные проводники и нейтральный рабочий проводник (рисунок 2.3 ТА6). А результирующее значение этого тока будет соответствовать суммарному току, протекающему по спускам заземления от корпуса ТП к заземлителю (рисунок 2.3 ТА4+ТА5) [223, 224]. Аналогично в результате математической обработки измерений этого параметра получен усредненный график изменения тока в заземляющем спуске (рисунок 2.24).
Основные уравнения, отражающие энергетические процессы в сети 0,38 кВ
Схемы электроснабжения в сельской местности имеют ряд особенностей. Главная из них состоит в, том, что схемы имеют радиальный и тупиковый вид. Поэтому приходится подводить электроэнергию к огромному количеству сравнительно маломощных потребителей, рассредоточенных на значительной территории сельскохозяйственных районов. Можно представить схему замещения сети, состоящую из источника электроэнергии - силового трехфазного трансформатора, участков линий электропередач и нагрузок, подключенных через отдельный участок ЛЭП (рисунок 3.6). Бытовой сектор в сельской местности в основном состоит из частных домовладений. Вдоль улиц проектируются воздушные линии, провода которых крепятся на опорах. Длина пролетов в среднем составляет 40 м, и, как правило, с каждой опоры выполняются ответвления к вводу в здания. На схеме замещения сети 0,38 кВ (рисунок 3.5) изображены три участка воздушной линии длиной 40 м 2Л и поперечные проводимости 7„, состоящие из параллельных RC-цепочек (рисунок 3.3). Нагрузки подключены после каждого.участка линии Z„. При моделировании параметров электрической сети задавались следующие условия. Нагрузку в узле примем в соответствие с наиболее распространенной разрешенной мощностью, выдаваемой по техническим условиям сетевой компанией сельскому бытовому потребителю 2000 Вт, ток 8 А. Номинальное фазное напряжение 220 В. Среднестатистическое значение тока утечки через изоляцию 0,01 А. Расположение проводов на опоре воздушной линии показаны на рисунке 3.4. Рассчитаем действующие значения параметров схемы замещения для частоты 50 Гц.
Создадим в Electronics Workbench электронную модель трехфазной электрической сети с несинусоидальными источниками [215, 216] (рисунок 3.8). В нашем случае она состоит из трехфазного источника ЭДС, линии электропередачи и нелинейной несимметричной нагрузки. Трехфазный источник ЭДС моделирует силовой трехфазный трансформатор с симметричными обмотками в виде сопротивлений трансформатора. Линия 0;38 кВ представлена в виде П-образной схемы замещения. Узловая нагрузка, моделируется1 несимметричной и нелинейной. Как отмечалось в предыдущей І главе, источники нелинейных искажений, находятся в. узлах нагрузки. Поэтому источники высших гармонических составляющих показаны на модели в конце схемы замещения как состоящие из последовательно включенных несимметричных источников напряжений с частотой, кратной промышленной..
Начальные фазы напряжений "генераторных обмоток! фаз А, В и С сдвинуты относительно друг друга на угол -120 (или +240, как на схеме), начала обмоток объединены в "нейтральную точку" N по схеме "звезда" и имеют частоту изменения электромагнитного поля 50Тц. Сопротивление силового трансформатора Zt принято на модели, исходя из среднестатистической, номинальной мощности 160 кВ А. Линия 0,38 кВ состоит из поперечных ZI ипродольных элементов П и Y2, которые рассчитаны для воздушнойши-нии с алюминиевым проводом сечением 50 лш2 и длиной 400 м (10 пролетов).
Нагрузка: состоит из; активно-индуктивных сопротивлений: при разной; загрузке фаз: Нелинейность, создана источниками напряжения» высших гармоник En, подключенных к нагрузке.
Источники ЭДС. высших гармоник подобраны таким образом; чтобы создавать,реальный;спектр токовой напряжение в моделируемошэлектричег скот сети; 0 38 кВ1 Он состоит из основных и значимых гармоник::четных (21,4);, нечетных (5, 7, 11, 13!, 17, 19) шкратных трем (3;9 .15): 2j 5;. И, 17 гар-моникш в трехфазной системе образуют обратную последовательность токов и напряжений, поэтому фазовые сдвиги- будут в- обратном? порядке; относительно фаз напряжений «генераторных- обмоток». 4,Л]. \Ъ, 19 гармоники?напряжений и токов образуют прямую последовательность и совпадают пофа-зам;с «генераторным напряжением». А вот гармоники,.кратные трем (3.,. 9,. 15);, образуют нулевую последовательность ш сдвинуты относительно друг друга; на; 0. Амплитудные значения источников;. ЭД высших гармоник; задаются действующими напряжениями; также имеющими; несимметричный характер.
На моделив фазные и нулевой; рабочий проводники включены амперметры (Alternating Current - переменный ток). Также контролируются; фазное напряжение, токи в фазах и в нейтрали. На основании выбранных параметров при мод ел ированииполученьїіследующие результаты:.
Для; визуального наблюденияспектров токов и напряжений подключим осциллограф. Канал А-, осциллографа" подключен: к фазному напряжению; а канал В - к напряжению смещения, нейтрали. Временные диаграммы напряжения смещения нейтрали: (канал А осциллографа); прямо пропорционально току, снимаемому в нулевом-рабочем проводнике, с "нулевого" амперметра. Временные диаграммы показывают (рисунок 3.9), что кривая фазного напряжения имеет уплощенную форму, ток в нейтрали сильно искажен нечетными
Электромагнитный компенсатор высших гармонических токов на участке сети 0,3 8 кВ
Для ТП КТП 10/0,4 кВ с гибкой ошиновкой разработан электромагнитный компенсатор гармоник электрической сети изображенный на рисунке 4.3. На рисунке 4.4 приведены векторные диаграммы гармонических составляющих магнитных потоков, поясняющие принцип действия.
Электромагнитный компенсатор гармоник электрической сети содержит замкнутый магнитопровод трансформатора ТТ1, на котором размещены обмотки-wl, w2, w3, включенные между источником питания Т и нагрузкой-рисунок 4.3) и обмотка w4, включенная между нейтралями источника питания и нагрузок Zl, Z2, Z3 с обмоткой w5; включенной между нейтралью источника питания и заземляющим проводником со стороны заземлителя.
Данный электромагнитный компенсатор гармоник электрической сети функционирует следующим образом.
При появлении высших гармонических составляющих в фазах сети L1, L2, L3 (рисунок 4.3) токи гармоник, кратные k=3n образуют вокруг фазных проводников сети соответствующие магнитные потоки Ф , Ф 2, Ф3 3 (рисунок 4.4). Из-за нелинейности нагрузок Zl, Z2, Z3 сумма фазных токов не равна нулю в нейтрали нагрузки и нескомпенсированные высшие гармонические токи фаз замыкаются частично через нейтральный рабочий проводник N, образуя при этом магнитный поток Ф%, а частично — через поперечные проводимости электрической сети и заземляющий проводник, образуя магнитный поток Ф33". Выбранные направления проводников wl, w2, w3, w4, w5 в окне магнитопровода ТТ1 обеспечивают электромагнитное уравновешивание суммарного магнитного потока Ф от трех потоков фаз магнитными потоками Ф3 и Ф3/. Под действием индуктируемых магнитными потоками Ф3 и Ф\" электродвижущих сил в проводниках wl, w2, w3 будут протекать токи гармоник, кратные k=3n, в противофазе к таким же составляющим тока каж дой фазы сети. Аналитически работу компенсатора можно представить выражением для третьей гармоники: где п - порядковый номер гармоники;
Гармоники тока, кратные k=3n+l и k=3n+2, образуют системы соответственно прямой и обратной последовательностей (рисунок 4.4). Для данных гармонических составляющих с увеличением номера составляющей происходит снижение емкостного сопротивления электрической сети, и большая часть гармонических составляющих токов, кратных k=3n+l и k=3n+2 возвращается к источнику питания через заземляющий проводник. Уравновешивание нескомпенсированного магнитного потока Ф +ї из-за несимметрии и несинусоидальности магнитными потоками Ф31 и Ф33"+1 показано на рисунке 4.4.
Для экспериментальной проверки в лаборатории был исследован электромагнитный компенсатор третьей гармоники тока нейтрали. Для этого смоделированы источник питания, ЛЭП с поперечными и продольными параметрами и несимметричная нелинейная нагрузка.
В лабораторных условиях были смоделированы три основных элемента сети: источник питания, воздушная линия электропередачи и нелинейная несимметричная нагрузка. Источник питания состоял из трёх симметричных ЭДС, линия имела поперечные и продольные параметры, в качестве нагрузки использовались тиристорные регуляторы в фазах А и В и лампа накаливания - в фазе С. Для измерения электрических величин использовался прибор ЭМ-З.ЗТ.
Перед проведением каждого опытного измерения схема предварительно включалась для прогрева всех её элементов, чтобы более точно создать реальные условия работы. Прибором фиксировались электрические величины на головном участке: минутные изменения фазных и линейных напряжений, фазные токи, ток небаланса (путем расположения всех фазных и нулевого проводников в окне магнитопровода датчика тока) и ток в нулевом рабочем проводнике.
Исследования проводились в два этапа: вначале схема работала без компенсатора, затем — в схему включался компенсатор третьей гармоники. После проведения изменений электрических величин была проведена оценка эффекта применения компенсатора в относительных величинах по следующим величинам: потребляемой полной мощности, потребляемой активной мощности, мощности искажения, обусловленной наличием высших гармоник, току небаланса, току в нулевом проводнике, коэффициент третьей гармонической составляющей по току в нуле и коэффициенту гармонических составляющих напряжения в фазах.
Так как при работе диодов в один полупериод трансформаторы тока находятся с «разомкнутой» обмоткой из-за чего могут возникать импульсы напряжения, были сняты осциллограммы во вторичных цепях компенсирующего устройства. Прибором ЭМ-З.ЗТ снимались осциллограммы напряжения U-n. И тока Ітт во вторичных цепях для трех режимов загрузки трансформаторов тока (33%, 66%, 100%). Из полученных осциллограмм следует, что при максимальной нагрузке на трансформаторе при закрытом диоде возникает импульс напряжения не более 12В.
