Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ОТ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ В ЭЛЕМЕНТАХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Дед А.В. 1 Паршукова А.В. 1 Халитов Н.А. 1
1 ФГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»
Статья посвящена основным способам оценки дополнительных потерь мощности в базисных элементах систем электропотребления и электроснабжения, вызванных наличием несимметрии напряжений и токов. Проведен анализ существующих способов определения дополнительных потерь мощности в основных элементах систем электроснабжения. Показано, что наличие в сети амплитудной и угловой несимметрии приводит к увеличению дополнительных потерь мощности по сравнению с симметричным режимом. В заключение представлена блок-схема алгоритма определения суммарных дополнительных потерь мощности и интерфейс программы для расчета потерь при длительных несимметричных режимах работы систем электроснабжения.
несимметричная нагрузка
потери мощности
несимметрия токов и напряжений
1. Дед А.В. Оценка дополнительных потерь мощности в электрических сетях 0,38 кВ на основе экспериментальных данных / А.В. Дед, С.В. Бирюков, А.В. Паршукова // Успехи современного естествознания. – Пенза, 2014. – № 11–3. – С. 64–67.
2. Дед А.В. Способы расчета потерь активной мощности в силовых трансформаторах при несимметрии токов и напряжений / А.В. Дед, А.В. Паршукова // Международный научно-исследовательский журнал. – Екатеринбург, 2014. – № 10-2 (29). – С. 16–17.
3. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. – М.: «Изд-во НЦ ЭНАС», 2002.
4. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, Н.В. Тульский, Р.Г. Шамонов и др. под ред. Шарова Ю.В. – М.: МЭИ, 2006. – 320 с.
5. Приказ Минэнерго России от 30 декабря 2008 г. № 326 «Об организации в министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям» URL: http://minenergo.gov.ru/documents/fold13/ ?ELEMENT_ID=757 (дата обращения: 15.06.15)
6. Указ Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 г. № 889 URL: http://www.rg.ru/2008/06/07/ukaz-dok.html (дата обращения: 15.06.15).
7. Воротницкий В.Э. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем. / В.Э. Воротницкий, Ю.С. Железко, В.Н. Казанцев и др. под ред. Казанцева В.Н. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 386 с.
8. Шведов Г.В. Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение: учебное пособие для вузов / Г.В. Шведов, О.В. Сипачева, О.В. Савченко; под ред. Ю.С. Железко. – М.: Издательский дом МЭИ. – 2013. – 424 с.
9. Шидловский А.Н. Повышение качества энергии в электрических сетях. / А.Н. Шидловский, В.Г. Кузнецов – К.: Наукова думка, 1985. – 268 с.

Как известно, причиной ухудшающей значения показателей качества электрической энергии и приводящей к возрастанию потерь и элементах систем распределения и потребления электрической энергии является наличие режимов длительной несимметрии токов и напряжений [1 – 4, 7, 9].

В виду важности реализации вопроса о снижении к 2020 году общей величины потерь электроэнергии при её передаче по электрическим сетям до уровня 8,8 % [6], актуальной остается задача оценки возникающих потерь мощности в основных компонентах электроснабжающих систем при наличии несимметрии токов и напряжений.

Имея, на основании данных анализа показателей качества электрической энергии, сведения о величине данных потерь можно произвести выбор и реализовать необходимые мероприятия (организационные, технические) по оптимизации режимов энергопотребления.

Рассмотрим основные способы оценки дополнительных потерь мощности в базисных элементах систем электропотребления и электроснабжения, обусловленных наличием несимметрии токов и напряжений.

Линии электропередач, являются основными передающим звеном в структуре электроэнергетических систем. В линиях высокого напряжения, когда нулевой провод и ток нулевой последовательности отсутствует или не учитывается в силу своего малого значения ded01.wmf, дополнительные потери активной мощности вызываются только токами обратной последовательности и определяются по выражению:

ded02.wmf (1)

где ∆РЛЭП – потери мощности в линии электропередачи при симметричном режиме работы;

К2I – коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности.

В симметричном режиме потери в линиях электропередач определяются из соотношения:

ded03.wmf, (2)

где I1 – ток симметричного режима (ток прямой последовательности);

rФ – сопротивление фазного провода.

Существенная доля потерь при передаче электрической энергии приходится на самые распространенные линии напряжением 0,38 кВ [8].

Дополнительные потери при несимметричной нагрузке для данных линий рекомендуется учитывать с помощью коэффициента KHEP, учитывающего неравномерность нагрузки фаз [4, 5, 7]:

ded04.wmf (3)

где RH, RФ – сопротивления нейтрального и фазного проводов;

IA, IB, IC – измеренные токи фаз;

ICP – среднее значение измеренных токов фаз.

Для сетей с изолированной нейтралью выражение (3) принимает вид:

ded05.wmf (4)

Таким образом, дополнительное увеличение значения потерь мощности в сопоставлении с симметричным режимом может быть определено с помощью следующего выражения:

ded06.wmf. (5)

Как следует из выражений (3) и (4), рассчитанные с их помощью значения потерь мощности, получаются достоверными только в случае наличия амплитудной несимметрии, то есть когда углы сдвига фаз токов по отношению к своим напряжениям одинаковы.

Наличие в сети как амплитудной, так и угловой несимметрии для оценки увеличения дополнительных потерь по сравнению с симметричным режимом можно учесть с помощью коэффициента KHEC [8]:

ded07.wmf, (6)

где К2I, К0I – коэффициенты несимметрии токов по обратной и нулевой последовательности.

И соответственно, выражение (5) примет следующий вид

ded08.wmf. (7)

Как видно из выражений (1), (5), (7) при увеличении уровня несимметрии токов и напряжений дополнительные потери мощности увеличиваются.

Возникающие в электрических машинах дополнительные потери, принято подразделять на основные и дополнительные.

Потери, которые проявляются в электрических машинах из-за протекающих в них электромагнитных процессов, такие как потери от основного потока мощности в меди обмоток и в стали относят к основным потерям. К ним же причисляют и относят механические потери – потери от трения в подшипниках, щетках и вентиляционные [9].

Наличие на зажимах асинхронных двигателей несимметрии напряжений, вследствие малого сопротивления их обратной последовательности, влечет за собой увеличение потерь активной мощности и дополнительный нагрев обмоток.

Дополнительные потери активной мощности в электрической машине, обусловленные несимметрией напряжений, не зависят от ее нагрузки [9] и определяются из выражения:

ded09.wmf (8)

где kАД – коэффициент, учитывающий параметры конкретного двигателя (номинальная мощность, потери в меди статора, кратность пускового тока);

ded10.wmf – коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

РH – номинальная активная мощность двигателя.

Согласно [9] значение коэффициента kАД для промышленной нагрузки в целом рекомендуется принимать равным 1,85.

В синхронных машинах дополнительные потери активной мощности, вызванные несимметрией режима работы, наличествуют и в статоре и в роторе одновременно.

Вместе с тем, величина потерь в статоре от несимметрии напряжений значительно меньше потерь в обмотке ротора, в связи с чем рекомендуется ими пренебрегать [8].

Поэтому дополнительные потери мощности, определяются в зависимости от коэффициента несимметрии напряжений по формуле:

ded12.wmf, (9)

где k – коэффициент, определяемый в зависимости от типа синхронной машины;

K2U – коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

РH – номинальная активная мощность двигателя.

Коэффициент k рекомендуется определять следующим образом: для турбогенераторов – 1,86; для гидрогенераторов и синхронных двигателей – 0,68; для синхронных компенсаторов – 1,5 [4].

Силовые трансформаторы представляют собой статические устройства, в которых порядок ротации фаз не изменяет характер процессов протекающих в них. Несимметрия входных напряжений трансформатора, как и его нагрузочных токов, приводит к появлению несимметрии его выходных напряжений [9], обусловленных составляющими соответственно обратной и нулевой последовательности.

Особенно чувствительны к несимметрии нагрузок трансформаторы с соединением обмоток по схеме звезда – звезда с нулем, которые имеют большое сопротивление нулевой последовательности, что вызывает возникновение неуравновешенной системы их выходных напряжений [9].

При длительном несимметричном режиме работы в силовых трансформаторах, вследствие протекания токов обратной последовательности, возникают дополнительные потери мощности, которые могут быть определенны по следующей формуле:

ded13.wmf, (10)

где K2U – коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

∆РХ.Х. – потери в режиме холостого хода;

∆РКЗ – потери в режиме короткого замыкания;

UКЗ – напряжение короткого замыкания.

В случае недостатка сведений о паспортных характеристиках трансформатора, либо в случае расчета значений дополнительных потерь мощности для группы однородных трансформаторов, последние допускается вычислять по выражению [9]:

ded14.wmf, (11)

где SH – номинальная полная мощность силового трансформатора;

ded15.wmf – коэффициент, определяемый в соответствии с мощностью и назначением трансформатора.

Расчетное значение ded16.wmf, определенное для усредненных параметров стандартного оборудования, в частности для трансформаторов 6–10 кВ рекомендуется принимать ded17.wmf = 2,67, для трансформаторов 35–220 кВ ded18.wmf = 0,5 [9].

В батареях статических силовых конденсаторов, увеличение потерь мощности, вызванное искажением симметрии питающего напряжения, составляет достаточно малую часть в общей величине дополнительных потерь, возникающих в электрических сетях и у потребителей.

Тем не менее, эти потери могут приводить к серьезному росту температуры конденсаторов и, следовательно, уменьшению срока их службы.

Дополнительные потери в конденсаторных установках вызванные несимметричной нагрузкой, определяется из выражения [9]:

ded19.wmf, (12)

где QH – номинальное значение реактивной мощности конденсаторной установки;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

KКУ – поправочный коэффициент, рекомендуемое значение – 0,003 [9].

Для расчета экономического ущерба, вызванного снижением качества электрической энергии, вследствие наличия несимметрии токов и напряжений, необходимо воспользоваться следующим выражением:

ded20.wmf, (13)

где ∆Wдоп – дополнительные потери электрической энергии за необходимый временной интервал;

Т – стоимость электрической энергии в денежном эквиваленте за 1 кВт·ч.

Величина дополнительных потерь энергии определяется следующим образом:

ded21.wmf, (14)

где ded22.wmf суммарные дополнительные потери мощности в элементах рассматриваемой энергетической системы;

t – временной интервал, за который требуется найти величину потерь энергии (смена, сутки, месяц, год).

Определить суммарную величину дополнительных потерь мощности во всех элементах рассматриваемой системы электроснабжения можно с помощью уравнения

ded23a.wmf

ded23b.wmf. (15)

Определение экономического ущерба носит приближенный характер и направлено в первую очередь на предварительный расчет экономической целесообразности применения тех или иных мероприятий по снижению уровня несимметрии токов и напряжений.

Проведенный обзор способов расчета дополнительных потерь мощности и приведенные выше формулы (1) – (15) стали основой для разработки алгоритма и создания программы для расчета в элементах систем электроснабжения значений дополнительных потерь мощности, обусловленных наличием несимметричных токов и напряжений. Алгоритм расчета реализован при помощи языка программирования Object Pascal в среде Delphi. Схема разработанного алгоритма и окно интерфейса программа для оценки дополнительных потерь мощности на основе экспериментальных данных представлены на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

deda1.tif

Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения дополнительных потерь мощности

deda2.tif

Рис. 2. Интерфейс программы: окно вывода результатов, результат расчета коэффициента дополнительных потерь мощности


Библиографическая ссылка

Дед А.В., Паршукова А.В., Халитов Н.А. ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ОТ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ В ЭЛЕМЕНТАХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 421-425;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7510 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674