Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор причин возникновения и способов снижения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой 16
1.1 Характеристика и особенности сельских электрических сетей напряжением 0,38 кВ 16
1.2 Динамика потерь электроэнергии в электрических сетях Российской Федерации 18
1.3 Структура потерь электроэнергии в электрической сети напряжением 0,38 кВ 23
1.4 Анализ подходов к учету дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии из-за несимметрии и высших гармоник тока в элементах электрической сети напряжением 0,38 кВ 26
1.5 Технические средства борьбы с неактивными составляющими полной мощности 32
1.6 Выводы. Цель, задачи, объект и предмет исследования, научная и рабочая гипотезы 53
2 Определение и снижение дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в элементах сельской распределительной сети 0,38 кВ 56
2.1 Неактивные составляющие полной мощности 56
2.2 Определение дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ 60
2.2 Методы определения нагрузочных потерь электроэнергии в электрических сетях 64
2.3 Упрощенная методика определения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ от протекания токов высших гармоник 67
2.4 Моделирование сельской коммунально-бытовой распределительной сети 0,38 кВ с нелинейной нагрузкой, генерирующей токи частотой 150 Гц 70
2.5 Разработка электромагнитного компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети 74
2.5 Выводы по главе 85
3 Методика проведения исследований в сельских электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой 87
3.1 Методика получения исходных данных для расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ 87
3.2 Анализ наиболее значимых гармоник тока на вводе 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой
3.3 Коэффициент небаланса наиболее значимых гармоник тока 93
3.4 Время максимума нагрузки, время наибольших потерь и коэффициент формы суточных графиков нагрузки 96
3.5 Корреляционно-регрессионный анализ дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой 97
3.6 Экспериментальное исследование электромагнитного компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети 99
3.7 Выводы по главе 102
4 Результаты экспериментальных исследований в сельских электрических сетях 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой 104
4.1 Дополнительные нагрузочные потери электроэнергии в силовых трансформаторах 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой 104
4.2 Динамика тока третьей гармоники в нулевом проводе сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой 113
4.3 Время максимума нагрузки и время наибольших потерь электроэнергии для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих 116
4.4 Коэффициент формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих 127
4.6 Моделирование вечернего максимума нагрузки сельской коммунально бытовой распределительной сети 0,38 кВ с нелинейной нагрузкой, генерирующей токи частотой 150 Гц 130
4.5 Корреляционно-регрессионный анализ дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой 133
4.7 Экспериментальное исследование электромагнитного компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети 142
4.8 Производственная проверка электромагнитного компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети 146
4.9 Выводы по главе 150
5 Технико-экономическая оценка эффективности электромагнитного компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети 153
5.1 Выводы по главе 161
Заключение 162
Список литературы 165
- Анализ подходов к учету дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии из-за несимметрии и высших гармоник тока в элементах электрической сети напряжением 0,38 кВ
- Определение дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ
- Анализ наиболее значимых гармоник тока на вводе 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой
- Время максимума нагрузки и время наибольших потерь электроэнергии для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день
энергосбережение является главным направлением энергетической стратегии России в сложившихся экономических условиях на фоне возрастающего потребления электроэнергии и отставания роста генерирующих мощностей.
Для реализации задач энергосбережения и повышения
энергоэффективности электрических сетей был принят Федеральный Закон Российской Федерации №261-ФЗ от 23 ноября 2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Энергопотребление коммунально-бытового сектора села в настоящее
время в 2 раза превышает энергопотребление производственного сектора и
является наиболее крупным энергопотребляющим сектором на селе.
Нагрузка в сельской коммунально-бытовой сети напряжением 0,38 кВ
является несимметричной, а количество нелинейных нагрузок,
генерирующих в электрическую сеть высшие гармоники тока, с каждым
годом увеличивается, в результате чего по электрической сети протекают
неактивные составляющие полной мощности, которые вызывают
дополнительные нагрузочные потери электроэнергии в элементах
электрической сети.
Таким образом, оценка влияния неактивных составляющих полной мощности на потери электроэнергии в сельских распределительных сетях напряжением 0,38 кВ и разработка мер по их снижению чрезвычайно актуальны и служат для успешного решения стратегических задач по наращиванию экономического потенциала аграрного сектора.
Степень разработанности темы. Вопросами повышения
эффективности передачи электрической энергии за счет снижения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии занимались многие ученые как в России, так и за рубежом: Агунов А.В., Аррилага Дж., Верде Паола, Воротницкий В.Э., Васильева Т.Н., Дрехслер Р., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Карташев И.И., Косоухов Ф.Д., Левин М.С., Лещинская Т.Б., Наумов В.И., Розанов Ю.К., Савенко А.В., Сердешнов А.П., Троицкий А.И., Тропин В.В., Шидловский А.К., Шпиганович А.Н., Юндин М.А. и др.
В большинстве научных работ исследуются искажающие факторы, влияющие на величину дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии по отдельности, считая остальные идеальными. В результате этого не учитывается взаимовлияние факторов друг на друга. В реальных электрических сетях на величину дополнительных потерь электроэнергии влияет совокупность искажающих факторов, изменение одного из которых приводит к изменению остальных. Таким образом, важной задачей становится определение совокупного влияния неактивных составляющих полной мощности на величину дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в реальных сельских распределительных сетях напряжением
0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой.
Научная гипотеза – наиболее полное устранение нагрузочных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 6-10/0,4 кВ и линиях электропередачи напряжением 0,38 кВ сельских распределительных сетей с коммунально-бытовой нагрузкой невозможно без подавления высших гармоник тока, среди которых наиболее влиятельной является третья гармоника в нулевом проводе электрической сети.
Рабочая гипотеза – компенсация тока третьей гармоники в нулевом
проводе сельской распределительной сети напряжением 0,38 кВ с
коммунально-бытовой нагрузкой возможна путем установки
электромагнитного компенсатора с включением трансформаторов тока на разность фаз.
Цель работы – обоснование способов и технических средств,
повышающих эффективность электропередачи в сельских
распределительных сетях напряжением 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой посредством компенсации неактивных составляющих полной мощности.
Объектом исследования является силовой трансформатор
6-10/0,4кВ и линия электропередачи напряжением 0,38 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой.
Предметом исследования является взаимосвязь дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии с комплексом факторов, вызывающих неактивные составляющие полной мощности в силовом трансформаторе 6-10/0,4кВ и линии электропередачи напряжением 0,38 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Выполнить анализ существующих технических средств, повышающих коэффициент мощности, улучшающих форму и симметрию токов сети напряжением 0,38 кВ. Определить возможные пути повышения эффективности электропередачи в сельских электрических сетях напряжением 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой.
-
Уточнить методику расчта нагрузочных потерь электроэнергии в элементах электрической сети 0,38 кВ с учетом влияния токов несимметрии и высших гармоник. Определить среднестатистические значения времени максимума нагрузки, времени наибольших потерь и коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих.
-
Провести экспериментальные исследования влияния одновременно изменяющихся уровня напряжения, коэффициента мощности, несимметрии и несинусоидальности токов на величину дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в действующих электрических сетях напряжением 0,38 кВ, питающих коммунально-бытовых потребителей.
-
Аналитически определить степень влияния неактивных составляющих полной мощности на величину дополнительных нагрузочных
потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4кВ сельской распределительной сети напряжением 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой.
5. Разработать метод и устройство для снижения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии за счет компенсации неактивных составляющих полной мощности и оценить экономическую эффективность предлагаемых технических разработок.
Научная новизна заключается в:
– ранжировании факторов, определяющих снижение нагрузочных потерь электроэнергии в элементах сельской распределительной сети напряжением 0,38 кВ с коммунальной-бытовой нагрузкой;
– разработанных регрессионных моделях для оценки дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии и определении степени влияния неактивных составляющих полной мощности на величину дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой;
– полученной зависимости изменения тока третьей гармоники в нулевом проводе в течение суток на вводе 0,4 кВ силового трансформатора сельских распределительных сетей с коммунально-бытовой нагрузкой;
– уточненной методике расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой посредством времени наибольших потерь и коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих;
– обосновании технического средства для снижения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии за счет компенсации неактивных составляющих полной мощности.
Теоретическую и практическую значимость работы представляют:
– определенные численные значения времени использования максимума нагрузки, времени наибольших потерь, коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока сельской распределительной сети напряжением 0,38 кВ с коммунально-бытовой нагрузкой;
– полученные статистические значения долей составляющих
дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом
трансформаторе 6-10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой;
– уточненная методика расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой посредством времени наибольших потерь и коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих;
– разработанный электромагнитный компенсатор тока третьей гармоники 4-х проводной сети.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных
задач в работе использованы методы математической статистики,
корреляционно-регрессионного анализа, теоретического анализа, основные
положения теоретических основ электротехники, теорий нелинейных
электрических цепей и гармонического анализа. Данные экспериментальных
исследований получены с использованием современных сертифицированных
приборов: анализаторов качества электроэнергии HIOKI 3196 и
Энергомонитор 3.3Т, осциллографа смешанных сигналов АКТАКОМ АСК-4166, токоизмерительных клещей АКТАКОМ АТК-1001, универсального цифрового мультиметра, счетчика Меркурий 230. В расчетах использовались специализированные высокоточные компьютерные программы: Mathcad 15, StatSoft STATISTICA 6.0, Multisim 10.1, MS Excel 2010.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
– уточненная методика расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой посредством времени наибольших потерь и коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих;
– полученные численные значения времени использования максимума нагрузки, времени наибольших потерь, коэффициента формы суточных графиков нагрузки для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих;
– регрессионные модели для оценки дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 6-10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой;
– зависимость изменения тока третьей гармоники в нулевом проводе в течение суток на вводе 0,4 кВ силовых трансформаторов сельских распределительных сетей с коммунально-бытовой нагрузкой;
– принципиальные электрические схемы электромагнитного
компенсатора тока третьей гармоники 4-х проводной сети.
Степень достоверности и апробация работы.
Достоверность научных результатов подтверждается применением
научно-обоснованных методов, корректным использованием
математического аппарата с использованием современных математических и
статистических компьютерных систем, использованием сертифицированных
высокоточных измерительных средств, проверочными тестами
математических моделей, расчетами на конкретных примерах и измерениях, адекватностью теоретических и экспериментальных результатов.
Разработанные электротехнические устройства «Электромагнитный компенсатор тока третьей гармоники 4-х проводной сети» и «Устройство для
компенсации тока 3-ей гармоники в нулевом проводе 4-х проводной сети» внедрены в Зимовниковский РЭС ПО ВЭС филиала ПАО «МРСК Юга» -«Ростовэнерго». Методика расчета дополнительных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 6-10/0,4 кВ сельских коммунально-бытовых сетей 0,38 кВ используется в учебном процессе Азово-Черноморского инженерного института – филиала ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зернограде на кафедре «Электроэнергетика и электротехника» и ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ на кафедре «Электроснабжение с.-х. и ТОЭ».
Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и конкурсах: в Азово-Черноморском инженерном институте - филиале ФГБОУ ВО Донской ГАУ, г. Зерноград в 2012-2014 г., в ФГБОУ ВО СтГАУ, г. Ставрополь в 2012-2014 г., в ФГБОУ ВО СГАУ имени Н.И. Вавилова, г. Саратов в 2014 г., в ФГБОУ ВО МГАУ, г. Москва в 2012 г., в ТДАТУ, г. Мелитополь в 2012 г., в ФГБОУ ВО ВГТУ, г. Воронеж в 2013 г., ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии, г. Москва в 2013-2014 г., в Анапском филиале ФГБОУ ВО КубГАУ, г. Анапа в 2013г., в АННОО «Приволжский Дом знаний», г. Пенза в 2014 г., в ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, г. Зерноград в 2014 г., в ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, г. Волгоград 2014-2016 г.
Публикации. По результатам исследований получены в соавторстве 4 патента и опубликованы 20 печатных работ, в том числе 2, в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 116 наименований (т.ч. 15 на иностранных языках) и приложения. Основное содержание работы изложено на 177 страницах машинописного текста, включая 73 рисунка и 31 таблицу.
Анализ подходов к учету дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии из-за несимметрии и высших гармоник тока в элементах электрической сети напряжением 0,38 кВ
Как показывают исследования [27] на современном этапе развития электроэнергетической отрасли на долю распределительных сетей напряжением 0,4-10 кВ приходится порядка 33,5% суммарных технических потерь электроэнергии. Кроме того, как известно, в распределительных сетях низкого напряжения сосредоточены коммерческие потери электроэнергии, характеризующиеся хищениями и недостатками существующих систем учета, в связи с чем потери в сетях данного класса напряжения достигают 60% суммарных по стране. В связи с наметившимися тенденциями роста бытового потребления, нагрузка на распределительные сети низкого напряжения будет расти, что приведет к еще большему росту потерь в данных сетях. Таким образом, электротехническому персоналу потребуется принимать соответствующие меры по снижению потерь в электрических сетях 0,4-10 кВ.
Для разработки и внедрения таких мер повышения энергоэффективности и энергосбережения, следует учитывать все составляющие потерь электроэнергии, а также причины их возникновения. 1.3 Структура потерь электроэнергии в электрической сети напряжением 0,38 кВ
В каждом элементе электрической сети при передаче электрической энергии возникают потери. Выполнен анализ структуры потерь электроэнергии в сети напряжением 0,38кВ (рисунок 5), требуемый для изучения составляющих потерь в различных элементах сети и оценки необходимости проведения того или иного мероприятия, направленного на снижение потерь электроэнергии.
Разность между электроэнергией поступившей в электическую сеть и отпущенной из сети потребителями называют фактическими потерями электроэнергии. Фактические, или как их еще именнуют, отчетные потери электроэнергии включают разничные составляющие, такие как: потери в элементах сети, имеющие чисто физический характер, расход на собственные нужды подстанции, погрешности фиксации электроэнергии приборами ее учета, хищения электроэнергии, неоплату или неполную оплату показаний счетчиков и т.п. [42].
Сумма первых трёх составляющих, обусловленных технологическими потребностями процесса транспортировки энергии по электрическим сетям и инструментального её учёта, принято обозначать термином «технологические потери». Технологические потери электроэнергии, это те потери, которые подаются математическому расчёту и эти потери учитываются нормативом технологических потерь электроэнергии.
Воздействие человеческого фактора во всех его проявлениях учитывается третьей составляющей - коммерческими потерями электроэнергии. Они включают в себя сознательное хищение электрической энергии с помощью махинаций с показаниями счётчиков, их «модернизацией», неучтённые инструментальные погрешности и неисправности измерительных прибором, и полную или частичную неоплату по показаниям счётчиков и прочее. Коммерческие потери электроэнергии не поддаются строгому математическому расчету и носят случайный характер, в связи с этим их определяют, как разность между фактическими потерями и рассчитанными значениями технологических потерь, согласно действующим методикам [27, 42].
Технические потери электрической энергии можно подразделить на следующие составляющие [27, 42]: - Нагрузочные потери. Таковыми являются потери электроэнергии в элементах электрической сети по которым протекает нагрузочный ток, т.е. во всех элементах, включенных продольно в электрическую сеть - проводах линий электропередачи, силовых трансформаторах, контактных соединениях, измерительных трансформаторах тока, высокочастотных заградителях ВЧ - связи, токоограничи-вающих реакторах и т.п. Таким образом, величина нагрузочных потерь электроэнергии в элементах электрической сети зависят от протекающей через них мощности (тока). - Потери холостого хода также именуемые условно-постоянными. Данные потери электроэнергии не зависят от нагрузочного тока и присутствуют при наличии подведенного к ним напряжения, их величина в большинстве случаев незначительно меняется в зависимости от колебаний напряжений. Потери холостого хода, включают потери электроэнергии в силовых трансформаторах, компенсирующих устройствах (КУ), трансформаторах напряжения, счетчиках и устройствах присоединения ВЧ-связи, а также потери в изоляции кабельных линий. - Потери из-за токов утечки по изоляторам ВЛ и подстанций. Данный вид потерь зависит от погодных условий, и в общем случае относится к климатическим потерям.
Нагрузочные потери активной мощности, а, следовательно, и соответствующие им потери электроэнергии можно разложить на составляющие [34]: AP = APP + APQ+APS2 +APSQ + APD, где АРр - потери мощности, обусловленные протеканием активной мощности, Вт; APQ - потери мощности, обусловленные протеканием реактивной мощности, Вт; APS2 - потери мощности, обусловленные протеканием мощности пульсаций, то есть, токами обратной последовательности основной частоты, Вт; APso - потери мощности, обусловленные протеканием скрытой мощности, то есть, токами нулевой последовательности, Вт; PD - потери мощности, обусловленные протеканием мощности искажений, то есть, токами высших гармонических составляющих, Вт.
Первая составляющая представляет собой активные потери активной мощности, остальные составляющие относятся к неактивным потерям активной мощности. Активные потери электроэнергии являются тем самым необходимым минимумом нагрузочных потерь электроэнергии, без которых транспортировка электрической энергии просто невозможна, таким образом, оставшиеся неактивные составляющие являются теми потерями, от которых можно избавиться без негативных последствий, поэтому их следует именовать дополнительными нагрузочными потерями электроэнергии. Современные методики определения нагрузочных потерь электроэнергии учитывают только две составляющие - активные потери и реактивные, обусловленные протеканием реактивной мощности, тогда как оставшиеся составляющие нагрузочных потерь электроэнергии остаются не учтенными нормативом потерь электроэнергии и переходят в разряд коммерческих потерь.
Определение дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ
Разработано множество видов активных фильтров, отличающихся исполнением, наличием или отсутствием каких-либо функций, приоритетом решения задач, методом управления, но остается неизменным принцип действия данных устройств. Принцип применения активного фильтра прост: силовая электроника используется для генерирования токов, необходимых для питания искажающих нагрузок таким образом, чтобы синусоида тока сохраняла максимально правильную форму, токи равномерно распределялись по фазам, и отсутствовал фазовый сдвиг между током и напряжением [10-15, 25, 26, 37, 43, 54, 68, 69, 80, 85]. Активные фильтры работают как источники тока, а их эффективность ограничивается только собственным номинальным током. Этот ток принято обозначать как Ilimit. Этот ограничивающий ток расходуется на устранение гармоник, несимметрии и запаздывания фаз, при нормальных условиях фильтр скомпенсирует все перечисленные реактивные составляющие. Если же нагрузке потребуется скомпенсировать ток выше значения Ilimit, то мощность фильтра будет перераспределена на функции с наибольшим приоритетом, например, отключит компенсацию запаздывания фаз, расходуя величину ограничивающего тока на компенсацию высших гармоник и несимметрии. Если величины ограничивающего тока, по-прежнему, будет не хватать, то отключится следующая функция имеющая меньший приоритет – компенсация высших гармоник или несимметрии. Если актива только компенсация высших гармоник и величина ограничивающего тока будет превышена, то фильтр будет компенсировать только часть высших гармоник. Таким образом, при верной настройке фильтра, он не может перегрузиться, а будет происходить лишь частичная компенсация искажений. То есть, фильтр будет работать даже в случае, если его мощность была выбрана неверно [80].
Главным недостатком активных фильтров является их высокая стоимость, связанная с большой установленной мощностью устройства, требуемого для полноценной компенсации искажений в сети.
Гибридный фильтр совмещает в себе активный и пассивный фильтры. На рисунке 20 представлена топология гибридного фильтра. Пассивный фильтр выполняет основную фильтрацию (например, 5-го порядка), а активный, благодаря своему точному и динамическому методу, охватывает другие порядки гармоник. Малая установленная мощность силового электронного регулятора достигается благодаря наличию пассивного фильтра [9, 14, 37, 43, 54, 81]. Однако, остается открытым вопрос о соотношении активной и пассивной составляющих данного типа фильтров. а – параллельно нагрузке; б – параллельно реактору пассивного фильтра; в – последовательно в цепь пассивного фильтра; г – последовательно в сеть Топология гибридного фильтра (однофазная эквивалентная схема, Lс – эквивалентная индуктивность сети) Для компенсации третьих гармонических составляющих тока сети возможно использовать электромагнитные компенсаторы [64, 66, 67, 70, 71].
Электромагнитный компенсатор представленный на рисунке 21 состоит из замкнутого магнитопровода 1 с намотанными на него тремя обмотками 2-4. Обмотки образуются фазными проводами, которые наматываются так, чтобы ампер-витки одной из фаз были в два раза больше чем ампер-витки отстающей и опережающей фаз. Помимо этого, направление намотки выбирается таким образом, чтобы магнитодвижущие силы опережающей и отстающей фазы были встречно направлены МДС первой фазы. При таком расположении обмоток и количестве витков, достигается уравновешивание магнитных потоков третьей гармоники в окне магнитопровода, так как, магнитные потоки, возбужденные в первой фазе, будут противоположно направлены магнитным потокам, возбужденным в опережающей и отстающей фазе. Таким образом, электромагнитный компенсатор вызывает подавление токов высших гармоник кратных третьей в фазных проводах распреде Рисунок 21 – Схема установки для компенсации гармоник тока кратных трем и его векторная диаграмма МДС
Подобный принцип подавления высших гармоник используется так в электромагнитном компенсаторе, показанном на рисунке 22.
Данный электромагнитный компенсатор также содержит замкнутый магни-топровод 1, но в отличие от предыдущего вариант на нем располагается пять обмоток. Три обмотки 2-4, образованные фазными проводами, подключается между источником питания и нагрузкой потребителя. Еще две обмотки образуются нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками, соответственно, обмотка 5 и 6. Обмотки располагаются таким образом, чтобы в окне магнитопровода достигалось электромагнитное равновесие магнитных потоков, образованных обмотками фазных проводов сети и магнитных потоков, образованных нулевыми рабочим и защитным проводниками. Этого можно добиться, если направить намотку обмоток фазных проводов в одну сторону, а обмотки нулевых проводников в другую, тогда при протекании токов высших гармоник кратных третьей в фазных проводниках будут возникать соответствующие магнитные потоки, а суммарный гармонический тока протекающий в нулевом проводе будет вызывать магнитный поток направленны в противофазе суммарному потоко фазных обмоток [64].
Анализ наиболее значимых гармоник тока на вводе 0,4 кВ силового трансформатора 10/0,4 кВ сельской распределительной сети с коммунально-бытовой нагрузкой
Метод имеет высокую степень точности, но необходимость графика нагрузок делает его трудоемким и не позволяет использовать метод графического интегрирования в процессе проектирования.
Преимущество данного метода в том, что среднеквадратичный ток 1ср.кв -условный постоянный по величине ток, при протекании которого в течение расчетного интервала времени в электрической сети выделяются те же потери электроэнергии, что и при протекании реального тока, который изменяется по графику нагрузки, вычисляется только один раз для серии расчетов [57, 60].
Пояснение определения среднеквадратичного тока показано на рисунке 25. Здесь площадь фигуры «оабсден» пропорциональна потерям электроэнергии, она равна площади фигуры «оmkн». Таким образом, квадрат среднеквадратичного тока Рср.кв позволяет найти потери энергии: AWН = 3 R lfdt = 3 -12сркв -R. Рисунок 25 - К определению среднеквадратичного тока Среднеквадратичный ток определяется как /ср кв.=/ (0,124+7 .10- ) = ср кв.
Так как мощность пропорционально величине тока, определим среднеквадратичную мощность за год: Sср кв = „.(0,124+ .10-), где Tmax - время использования максимальной нагрузки - это время, в течение которого при передаче по сети наибольшей нагрузки будет передана та же энергия W = Ртах Тmax, что и при реальном графике, ч; Ттах - важнейший показатель, который характеризует как потребителя, так и электрическую сеть в целом. Так для односм енных предприятий Ттах =2000 3000ч; для двухсменных - Ттах =3000-4500ч; для трехсменных - Ттах =4500-8000ч; для коммунально-бытовой нагрузки Ттах =1300-3500ч [57, 60]. Время использования максимальной нагрузки может быть определено как Т 7max= = % " U max max 3. Метод времени наибольших потерь (наибольшего тока или мощности).
Временем наибольших потерь т называется время, за которое при передаче наибольшей нагрузки в сети возникнут те же потери электроэнергии, что и при работе сети по действительному графику нагрузки [57, 60]. Время наибольших потерь можно определить: $S2(t)-dt т = Е 2- Нагрузочные потери электроэнергии по методу времени наибольших потерь: Д = max .R.T Н JJ2 4. Метод коэффициента формы (среднего тока или мощности). Коэффициент формы - это показатель равный отношению среднеквадратичного тока (мощности) к среднему: т т \S2(t)-dt \S2(t)-dt 2 к2 = о = о = сркв ф т-sс (т у sс р jS(t)-dt р Коэффициент формы тем больше, чем больше график нагрузки отличается от постоянного. Таким образом, нагрузочные потери могут быть определены как
Упрощенная методика определения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в силовом трансформаторе 6-10/0,4 кВ от протекания токов высших гармоник
В подразделе 2.1 представлена наиболее точная методика определения потерь электроэнергии, посредством интегрирования интервалов At, и чем меньше этот интервал, тем точнее полученный результат. Однако, данный метод трудоемок и требует наличие достаточно дорогих специализированных технических средств. Для расчета потерь электроэнергии на основной частоте разработано и применяется множество методик [59]. Преобразуем методику определения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в СТ от протекания токов высших гармоник, учитывая опыт определения потерь электроэнергии на основной частоте.
Перепишем формулу (8) определения дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в фазах СТ от протекания высших гармоник тока в следующем виде A )=(Z/i,)+Z/B(,)+Z/c(,))-r--A - ), (9) где IA(v), IB(V), IC(V) - токи фаз и-ой гармоники в /-том режиме, А. Запишем формулу (9) расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в фазах СТ от протекания токов высших гармоник используя среднеквадратичное значение тока в течение суток Щи) = {j2Aср.кв(u) + /B .ср.кв(.) + C.ср.кв(.)К -24Лг Л.) , (10) где ІА.сР.кв(ь), h.cP.Ke(v), Ic.cp.Ke(v) - среднеквадратичные суточные токи фаз и-ой гармоники, А. Среднеквадратичное значение тока определяется как среднеарифметическое значение квадратов тока N где N - количество измерений. Из курса статистики также известно, что квадрат среднеквадратического значения равен сумме квадрата среднего и дисперсии /с2р.кв=/с2р + Д, (11) где Д - суточное значение дисперсии тока, А2. Обозначим относительное значение дисперсии тока как отношение дисперсии к квадрату среднего суточного значения тока Д = ±т= Д = іср-Д, (12) ср где Д - относительное значение суточной дисперсии тока. Из выражения (11) учитывая (12) получим I2 4.кв=/ср+/с2р-Д0 = /с2р-(1 + Д0) (1+Д) = кв = , (13) ср где кф - коэффициент формы суточного токового графика нагрузки [59]. Тогда, учитывая выражение (13), формула (10) расчета дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в СТ от протекания токов высших гармоник примет вид AW{u) = U2Aср(u) +lB .ср(u) +ILср(u))-kl(u)-rK3-24-kBT-k(u) , (14) где IA.cP(v), h.cP(v), Ic.cP(v) - среднесуточные токи фаз w-ой гармоники, А.
Во большинстве случаев на практике известны средний и/или максимальный характер нагрузки либо его определение не составляет значительных трудностей, в то время как определение среднеквадратичных значений является трудоемкой задачей, требующей специализированной измерительной и вычислительной техники. Таким образом, полученная формула расчета дополнительных потерь электроэнергии в СТ от протекания токов высших гармоник значительно упрощает расчеты, и требует знать лишь значения среднесуточных фазных токов и коэффициентов формы токовых графиков нагрузки. Чаще всего под термином «коэффициент формы графика нагрузки» понимается квадрат данного коэффициента, т.к. в расчетах потерь электроэнергии участвует именно квадрат коэффициента формы графика нагрузки, а сам коэффициент за ненадобностью не определяется [41].
Другим часто используемым методом является метод расчета потерь электроэнергии по значениям времени наибольших потерь. Расчет дополнительных нагрузочных потерь электроэнергии в фазах СТ от протекания токов высших гармоник с использованием метода «времени наибольших потерь» можно проводить как по максимальным суточным значениям токов высших гармоник для каждой фазы, так и по средним для 3-х фаз максимальным суточным значениям токов высших гармоник.
Дополнительные нагрузочные потери электроэнергии в фазах СТ от протекания токов высших гармоник по максимальному суточному току для каждой фазы определяются как Щи, = (iLanM + .максС) + 4макс(.)) ) kBT " (t где /АЛ«ХФ ВЛ« Ф /C. C – максимальные суточные токи фаз и-ой гармоники, А; X(V) - время наибольших потерь для и-ой гармоники, час. Дополнительные нагрузочные потери электроэнергии в фазах СТ от протекания токов высших гармоник, с использованием для 3-х фаз среднего максимального суточного значения токов вычисляются по выражению (и) = AW{ А.макс(и) В.макс(и) C.макс(и) Гкз Т(и) ВТ \иу Значения времени наибольших потерь и коэффициента формы графика нагрузки связаны между собой отношением [49] где к3.г. - коэффициент заполнения графика (относительное число часов использования максимальной нагрузки). Время наибольших потерь т наряду со временем использования максимальной нагрузки Ттах является важнейшим показателем, характеризующим потребителя и электрическую сеть в целом.
Время максимума нагрузки и время наибольших потерь электроэнергии для наиболее значимых гармоник тока и симметричных составляющих
Наибольшее влияние на величину дополнительных потерь электроэнергии от токов высших гармоник оказывает третья гармоника, это связано как с преобладанием тока третьей гармоники по сравнению с остальными гармониками, так и с характерной особенностью гармоник кратных 3-ей [90]. Третья гармоника и кратные ей практически синфазны, как показали исследования коэффициента небаланса наиболее значимых высших гармоник тока [114], лишь четверть суммарного фазного тока 3-ей и 9-ой гармоник взаимокомпенсируется. Третья гармоника образует токи нулевой последовательности, таким образом, суммируясь, основная часть токов третьей гармоники отдельных фаз сети протекает в нулевом проводе. Компенсируя ток третьей гармоники в нулевом проводе можно достичь высокой эффективности при упрощении конструкции компенсирующих устройств. Для этого необходимо знать особенности изменения тока третьей гармоники в нулевом проводе сети напряжением 0,38 кВ.
В таблице 5 приведены среднесуточное, максимальное и минимальное значения тока 3-ей гармоники в нулевом проводе.
Так как величина тока третьей гармоники в нулевом проводе варьируется в значительном диапазоне для разных участков сети напряжением 0,38 кВ [108], целесообразней анализировать суточную динамику тока не в абсолютных значениях, а относительно среднесуточных значений тока третьей гармоники в нулевом проводе I = IjIср. На рисунке 57 представлены линии трендов изменения токов третьей гармоники в нулевом проводе в относительных единицах для исследуемых подстанций.
По рисунку 57 видно, что изменение тока третьей гармоники в нулевом проводе за сутки для разных сельских подстанций с коммунально-бытовой нагрузкой имеет одинаковый характер. Так, можно выявить провал в период с 2:30 до 5:00 часов, а пик в промежутке между 19:00 и 22:00. Это позволило свести все данные в общий массив и определить уравнение, характеризующее динамику тока третьей гармоники в нулевом проводе, что отражено рисунком 58.
Из полученного уравнения регрессии видно, что ток третьей гармоники в нулевом проводе изменяется в течение суток по следующей зависимости I = –206,03t6 + 555,3t5 – 548,39t4 + 233,13t3 – 33,469t2 – 0,6501t + 0,7593, коэффициент детерминации R2 = 0,79. Здесь t – время суток, где 0 соответствует 0:00, а 1 соответствует 24:00.
Полученная зависимость изменения тока третьей гармоники в нулевом проводе позволяет, зная среднесуточное значение тока третьей гармоники в нулевом проводе подстанции, спрогнозировать величину тока в течение суток, суточный максимум и минимум. Таким образом, полученную зависимость можно использовать при проектировании устройства компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводе и регулировании его мощности [99].
Для практических расчетов определение дополнительных потерь электроэнергии методом интегрирования требует большого объема информации и трудоемких расчетов, с этой целью предлагается использовать упрощенные методы. Для метода «времени наибольших потерь» необходимы среднестатистические значения времени наибольших потерь. По данным измеренным в исследуемых подстанциях 10/0,4 кВ, питающих коммунально-бытовую нагрузку, произведен расчет времени использования максимальной нагрузки и времени наибольших потерь.
Для репрезентативной выборки объемом из 37 головных участков сети напряжением 0,38 кВ (111 наблюдений фазных токов на вводе 0,4 кВ) произведена статистическая оценка средних значений времени использования максимальной нагрузки и времени наибольших потерь электроэнергии за сутки для наиболее значимых гармоник тока (таблица 6).
Статистические характеристики времени использования максимальных нагрузок и времени наибольших потерь за сутки для значимых гармоник тока фазных проводов (по данным N=111 наблюдений) Перегруппировав полученную выборку по времени года, найдем статистические оценки средних значений времени использования максимальной нагрузки и времени наибольших потерь электроэнергии в течение суток у наиболее значимых гармоник тока для весны, лета и осени.
Статистические характеристики времени использования максимальных нагрузок и времени наибольших потерь за сутки для наиболее значимых гармоник тока фазных проводов по сезонам года В летний период времени года (N=63 наблюдения)
Из таблицы 6 видно, что значения времени использования максимальных нагрузок и времени наибольших потерь для значимых гармоник тока фазных проводов достаточно точно усредняются, так для времени использования максимальных нагрузок относительная погрешность не превышает 4%, а максимальная относительная погрешность для времени наибольших потерь наблюдается у 3-ей гармоники и составляет 6,12%. Так же можно заметить, что средние значения времени использования максимальных нагрузок и времени наибольших потерь для 1-ой, 5-ой, 7-ой и 9-ой гармоник близки по величине и составляют в среднем 12,60 и 7,55 часов соответственно. Средние значения этих величин для 3-ей гармоники несколько меньше и составляют соответственно 10,39 и 5,62 часов [111].
Анализ времени использования максимальных нагрузок и времени наибольших потерь электроэнергии в течение суток по сезонам года каждой из наиболее значимых гармоник тока показал, что наименьшие значения, найденные величины имеют осенью, а весной и летом они возрастают как показано на рисунках 59 и 60 [112].