Меню

Несимметрия напряжения в постоянном токе

Причины возникновения несимметричных режимов в электрических сетях

Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.

Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:

1) неодинаковые нагрузки в различных фазах,

2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети,

3) различные параметры линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. Поскольку основной причиной несимметрии напряжения является различие по фазам (несимметричная нагрузка), то это явление наиболее характерно для низковольтных электрических сетей 0,4 кВ.

В городских и сельских сетях 0,4 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников малой мощности. Количество таких однофазных электроприемников велико, и их нужно равномерно распределять по фазам для уменьшения несимметрии.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных электроприемников, а в ряде случаев и трехфазных электроприемников с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ — это однофазные термические установки, руднотермические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные нагревательные установки. Кроме того, несимметричные электроприемники — это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы — однофазные электроприемники. Мощность отдельных однофазных электроприемников в настоящее время достигает нескольких мегаватт.

Причины возникновения несимметричных режимов в электрических сетях

Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз- кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе- регружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия).

Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройствами пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого короткого замыкания.

В подавляющем большинстве устойчивые короткие замыкания однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к сохранению двух других фаз линии в работе.

В сети с заземленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режимы могут возникать и при отключении трансформаторов.

В некоторых случаях для группы, составленной из однофазных трансформаторов, при аварийном отключении одной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка резервной фазы, особенно при наличии двух групп однофазных трансформаторов на подстанции.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транспозиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается выравнивание параметров фаз линии, для которого обычно и применяется транспозиция.

Влияние несимметрии напряжений и токов

Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательности U2, U0, I2, I0 приводит к дополнительным потерям мощности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I2, I0 увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряжения и токи этих же последовательностей — в поперечных ветвях.

Наложение U2 и U0 приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результате напряжения могут выйти за допустимые пределы. Наложение I2 и I0 приводит к увеличению суммарных токов в отдельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются ус- ловия их нагрева и уменьшается пропускная способность.

Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристик вращающихся электрических машин. Ток прямой последовательности в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой в направлении вращения ротора. Токи обратной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению. Из- за этих токов двойной частоты в электрической машине возникают тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к сокращению срока службы изоляции.

В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проектировании увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не принимать специальные меры по симметрированию напряжения.

В синхронных машинах кроме дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели и батарей конденсаторов уменьшают выработку реактивной мощности.

Несимметрия напряжения в цепи питания осветительной нагрузки приводит к тому, что световой поток светильников одной фазы (фаз) уменьшается, а другой фазы — увеличивается, снижается срок службы ламп. На одно- и двухфазные электроприемники несимметрия воздействует как отклонение напряжения.

Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в промышленных сетях, включает стоимость дополнительных потерь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию от капитальных затрат, технологический ущерб, ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп, установленных в фазах с пониженным напряжением, и сокращением срока службы ламп, установленных в фазах с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения реактивной мощности, генерируемой конденсаторными батареями и синхронными двигателями.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений и коэффициентом нулевой последовательности напряжений, нормальное и максимальное допустимые значения которых составляют 2 и 4 %.

Симметрирование напряжений в сети сводится к компенсации тока и напряжения обратной последовательности.

При стабильном графике нагрузок снижение систематической несимметрии напряжений в сети может быть достигнуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную.

Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позволяет снизить коэффициент несимметрии напряжений до допустимого значения (например когда часть мощных однофазных электроприемников работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах). В этих случаях необходимо применять специальные симметрирующие устройства.

Известно большое число схем симметрирующих устройств, часть из них выполняется управляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.

Для симметрирования однофазных нагрузок применяется схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на линейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.

Для симметрирования двух- и трехфазных несимметричных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощностями батарей конденсаторов, включенными в треугольник. Иногда применяют симметрирующие устройства со специальными трансформаторами и автотрансформаторами.

Поскольку симметрирующие устройства содержат батареи конденсаторов, целесообразно применять такие схемы, в которых одновременно симметрируется режим и генерируется Q с целью ее компенсации. Устройства для одновременного симметрирования режима и компенсации Q находятся в стадии разработки.

Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I0 и снижения сопротивления нулевой последовательности Z0 в элементах сети.

Уменьшение тока нулевой последовательности I0 в первую очередь достигается перераспределением нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использованием сетей, в которых все или часть трансформаторов работают параллельно на стороне низкого напряжения. Снижение сопротивления нулевой последовательности Z 0 можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ, которые обычно сооружаются в районах с малой плотностью нагрузки. Целесообразность уменьшения Z0 для кабельных линий, т. е. увеличения сечения нулевого провода, должна быть специально обоснована соответствующими технико-экономическими расчетами.

Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распределительного трансформатора 6—10/0,4 кВ. Большинство распределительных трансформаторов, установленных в сетях, имеют схему звезда — звезда с нулем (У/Уо). Такие распределительные трансформаторы дешевле, но у них велико сопротивление нулевой последовательности Z0.

Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой распределительными трансформаторами, целесообразно применять схемы соединения треугольник— звезда с нулем (Д/Уо) или звезда—зигзаг (У/Z). Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение схемы У/Z. Распределительные трансформаторы с таким соединением более дорогие, и изготовление их очень трудоемко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и сопротивление нулевой последовательности Z0 линий.

Источник

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Несимметричные режимы обусловливаются тремя причинами:

  • неодинаковыми нагрузками фаз элементов сети, вызываемыми работой ЭП с нестабильной нагрузкой фаз (например, дуговых сталеплавильных печей) и однофазных ЭП (особенно это заметно в сетях 0,4 кВ, хотя и в промышленности существуют однофазные ЭП достаточно большой мощности);
  • неполнофазной работой линий, вызванной кратковременным отключением одной из фаз линии при коротких замыканиях или более долговременным отключением при пофазных ремонтах, наличием поперечных реакторов не во всех фазах линии и т. п.;
  • неравенством фазных параметров линий. Небольшое отличие фазных параметров обусловлено различием расположения проводов на опоре. Для выравнивания фазных параметров на линиях большой длины и высоких напряжений (330–750 кВ) осуществляют транспозицию проводов (поочередное изменение расположения фаз). Несимметрия напряжений, обусловленная этой причиной, на порядок меньше первых двух.

Наиболее частой причиной несимметрии напряжений на практике является неравенство токовых нагрузок фаз. При этом различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную несимметрию. Характерной чертой систематической несимметрии является постоянная перегрузка одной из фаз; в этом случае производят выравнивание нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной на недогруженную фазу.

Вероятностная несимметрия характеризуется попеременной перегрузкой то одной, то другой фазы (перемежающаяся несимметрия). В сетях 0,4 кВ городов и сельских населенных пунктов несимметрия напряжений вызывается в основном тем, что к этим сетям подключаются бытовые ЭП, являющиеся преимущественно однофазными, а в сетях более высоких напряжений – наличием у потребителей мощных однофазных нагрузок и трехфазных, но с неодинаковым потреблением по фазам. К последним относятся, в частности, дуговые сталеплавильные печи. Ток, проходящий по дуге каждой фазы, определяется расстоянием между электродом и шихтой.

Читайте также:  Химический источник тока уравнение

Обвалы шихты в период ее расплава не позволяют поддерживать одинаковые расстояния во всех фазах и их токи оказываются разными. Другим мощным источником несимметрии являются тяговые подстанции 275 U1A U1A а б U1C U1C U1B U2A U0A ϕ2 ϕ0 U2B U U0B 2C U0C U2C U0C UC U2B U1B U0A U0B UA UB железнодорожного транспорта, электрифицированного на переменном токе, так как электровозы являются однофазными электроприемниками.

Любую несимметричную систему трех напряжений можно разложить на три симметричные системы: прямой последовательности U1 , чередование фаз которой совпадает с чередованием фаз исходной системы, обратной последовательности U2 , чередование фаз которой противоположное, и нулевой последовательности U0 , все векторы которой направлены одинаково (рис. 8.2).

Система векторов междуфазных (линейных) напряжений UBA, UAC, UCB замкнута (составляется в треугольник), поэтому нулевая последовательность в ней присутствовать не может. Система векторов фазных напряжений UA, UB, UC при наличии нулевой последовательности разомкнута; геометрическая сумма векторов равна утроенному значению напряжения нулевой последовательности.

Воздействие несимметричной системы напряжений на электрооборудование такое же, как трех симметричных систем. Суть этого воздействия на однофазные и трехфазные ЭП различна. Для однофазных ЭП значение имеет лишь напряжение той фазы, к которой они подключены. Так как средства РН в ЦП изменяют напряжения одинаково во всех трех фазах, то соотношение между напряжениями остается неизменным. В результате отклонение напряжения во всех фазах в ряде случаев не удается поддерживать в допустимых пределах.

Для трехфазных ЭП (например, трехфазных двигателей) воздействие обусловлено обратным чередованием фаз напряжения обратной последовательности. Так как U1 значительно больше U2 , двигатель вращается в соответствии с чередованием фаз прямой последовательности, а обратная оказывает на него тормозящее действие.

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Рис. 8.2. Разложение несимметричной системы векторов на симметричные составляющие

Это вызывает некоторое снижение скорости вращения асинхронного двигателя (увеличивается скольжение s), скорость же вращения синхронного двигателя, естественно, измениться не может. В обмотках двигателей возникает ток обратной последовательности, значение которого определяется сопротивлением обратной последовательности обмоток.

Сопротивление обмоток двигателя зависит от скольжения ротора относительно статора s и выражается зависимостью, показанной на рис. 8.3.

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

При нормальной работе асинхронного двигателя скольжение мало (s

Рис. 8.3. Зависимость сопротивления асинхронного двигателя от скольжения

Для заторможенного двигателя s = 1, а сопротивление резко падает до хк. Отношение xc /хк определяет кратность пускового тока (обычно kп = 4 – 7). При увеличении скольжения до s = 2 (поле статора вращается в одну сторону, а ротора – в другую, что имеет место для токов обратной последовательности) значение хд практически не изменяется по сравнению с хк. А это значит, что для токов обратной последовательности сопротивление двигателя в kп раз меньше, чем для прямой последовательности. Поэтому, например, при возникновении на вводе двигателя с kп = 7 напряжения обратной последовательности U2 = 3 % ток обратной последовательности в его обмотках составит 21 % тока прямой последовательности, что вызовет их дополнительный нагрев.

Классическая запись уравнений связи между векторами U А, U В, U С и векторами U 1 , U 2 , U 0 симметричных составляющих имеет вид:

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

где множители a и a2 представляют собой операторы поворота векторов на 120° и 240°.

Уравнения (8.5) записаны для векторов фазных напряжений, очередность прохождения которыми действительной оси имеет вид UA, UB, UC. Очередность прохождения действительной оси вектора xд xс xк s 1 2 ми междуфазных напряжений имеет вид UAВ , UBС , UCA. Для междуфазных напряжений в приведенных формулах заменяют величины в соответствии с приведенной их последовательностью.

Вектор, как известно, характеризуется двумя параметрами: модулем и углом его расположения на плоскости. Использование формул (8.5) для расчета симметричных составляющих предполагает измерение не только модулей напряжений, но и углов между их векторами. Это осуществляется специальными приборами, фиксирующими моменты перехода мгновенных напряжений фаз через ноль. Погрешности измерения углов добавляются к погрешности измерения модулей напряжений и ухудшают общую точность измерения. Погрешности измерения углов увеличиваются при наличии в сети высших гармоник (иногда в точке, близкой к нулю, возникают многочисленные пересечения нуля) и при резкопеременных нагрузках, приводящих к нестабильности периода основной частоты (см. п. 8.1.1). В метрологических стандартах рекомендуется при измерениях моментов перехода мгновенных напряжений фаз через ноль принимать меры по подавлению высших гармоник. Кроме того, в практике эксплуатации сетей линейные и фазные напряжения измеряют не с помощью дорогих специальных приборов, а с помощью обычных вольтметров. При этом углы расположения векторов на плоскости остаются неизвестными.

Вместе с тем данная проблема кажется искусственной. Измерения углов не являются обязательными, если все параметры симметричных составляющих, включая и углы сдвига между ними, можно определить по строгим алгебраическим формулам на основе измерения только модулей напряжений. Такие формулы приведены ниже (выводы даны в прил. 6).

Параметры напряжений прямой и обратной последовательности междуфазных напряжений определяют по формулам:

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

где угол ϕ2 является углом вектора U2 по отношению к вектору U1 .

В формуле (8.6) символами a2 , a4 и a22 обозначены соответственно сумма квадратов линейных напряжений, сумма четвертых степеней и сумма попарных произведений квадратов. При определении U1 в числителе подкоренного выражения (8.6) принимают знак «+», а при определении U2 – знак «–». Если знаменатель (8.7) отрицателен, то к углу ϕ2 , определенному по (8.7), надо прибавить 180°. 278 В прил. 6 приведены также другие алгебраические выражения для прямой и обратной последовательности, дающие абсолютно идентичные результаты.

Прямую и обратную последовательности в фазных напряжениях определяют исходя из соотношений: U1ф = U1 / 3 и U2ф = U2 / 3 . Угол ϕ2ф между U2ф и U1ф связан с углом между U2 и U1 соотношением ϕ2ф = ϕ2 + 60°. Параметры нулевой последовательности нельзя определить на основе измерения только фазных напряжений – необходимо использовать уже полученные для междуфазных напряжений значения U1 , U2 и ϕ2 и вычислить по ним вспомогательные величины:

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Затем вычисляют величину

После этого параметры напряжения нулевой последовательности определяют по формулам:

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Приведенные формулы являются точными алгебраическими выражениями, так как получены без допущений. При компьютерной обработке данных сложность формул не имеет значения, поэтому применять приближенные формулы не рекомендуется. Кроме того, симметричные составляющие приходится рассчитывать и для токов, а в них обратная и нулевая последовательности имеют гораздо более высокие значения, чем в напряжениях. Поэтому допущения, принятые при выводе приближенных формул для напряжений (например, пренебрежение заведомо малыми величинами), могут оказаться неприемлемыми при использовании этих формул для токов.

В оценочных расчетах прямую последовательность можно принимать равной среднему значению трех измеренных напряжений, а обратную – равной 62 % разности наибольшего и наименьшего значений междуфазных напряжений. В фазных напряжениях обычно U0 >> U2ф. В связи с этим величиной U2ф можно пренебречь. Тогда значение U0 можно принимать равным 62 % разности наибольшего и наименьшего фазных напряжений.

При точных расчетах необходимо иметь в виду проблему соответствия фазных и междуфазных напряжений. Три междуфазных напряжения, полученные в результате замера, всегда «складываются» в треугольник, даже если измерены с погрешностью (исключение составляет практически нереальный случай, когда сумма двух напряжений меньше третьего). Следовательно, любым полученным значениям напряжений можно поставить в соответствие физически существующую систему векторов междуфазных напряжений. В связи с неизбежными при измерениях погрешностями она будет отличаться от реальной системы, но тем не менее физически будет существовать. В то же время измеренные фазные напряжения никогда не могут составить вместе с измеренными междуфазными напряжениями физически существующую систему шести напряжений. На рис. 8.4, а приведена ситуация, когда измеренные фазные напряжения не вмещаются в систему междуфазных напряжений, а на рис. 8.4, б – когда они «не дотягиваются» друг до друга. При любой, сколь угодно малой,

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

Рис. 8.4. Системы несимметричных линейных и фазных векторов

погрешности измерений зона неопределенности расположения нулевой точки (выпуклый или вогнутый треугольник 0AB – 0BC – 0CA) всегда будет существовать. Так как измеряемые напряжения по существу являются случайными величинами в диапазоне погрешности измерений, а вероятность попадания случайной величины в точку тождественно равна нулю, то теоретически невозможен случай такого сочетания погрешностей измерений, чтобы вектора всех трех фазных напряжений точно сошлись в одной точке.

На рис. 8.4, в показано различие положения нулевой точки, определяемого по разным парам фазных напряжений для случая, изображенного на рис. 8.4, б. Очевидно, что вычисление симметричных составляющих для физически несуществующей системы бессмысленно, поэтому необходимо сбалансировать результаты измерений. Формулы для расчета сбалансированных напряжений приведены в прил. 6.

Связь между напряжениями в узлах, токами в линии и сопротивлениями различных последовательностей выражается формулами:

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

При отсутствии токов I2 и I0 напряжения в узлах определяются только режимом прямой последовательности, так как U2 = U0 = 0. При неравенстве фазных параметров даже в случае симметричной трехфазной нагрузки (I2 = 0 и I0 = 0) возникают напряжения U2 = Z21 I1 и U0 = Z01 I1 .

Равенство фазных параметров нарушается при отключении фазы линии или (хотя и в значительно меньшей степени) при отсутствии транспозиции фазных проводов на линии или удлиненных ее циклах. В табл. 8.1 приведены значения взаимных сопротивлений последовательностей для нетранспонированных линий. Напряжение обратной последовательности на приемном конце такой линии составит 8–10 % от потерь напряжения прямой последовательности. Несимметричная система напряжений возникает и на шинах потребителей, питающихся от участков, находящихся внутри полного цикла транспозиции.

Читайте также:  Схема преобразователя напряжения постоянного тока в переменный схема

Параметры линий 110–750 кВ

Несимметрия трехфазных напряжений и токов

* Волновое сопротивление и натуральную мощность определяют по формулам: 2 нат /; /. xb P U ρ

Источник



Способы снижения несимметрии напряжения

Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Нормы приведенных показателей установлены в 1, 2.

1 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

2 Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Причины, которые вызывают несимметрию

Напряжение в трехфазной сети может быть симметричным. Несимметричное напряжение нормируется по его параметрам на основной частоте. Если амплитуды фазных напряжений равны и сдвиг фаз (угол между ними) одинаков, то напряжение симметрично. Аналогичное определение может быть распространено и на токи.

Рисунок 1 — Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая искажение симметрии напряжения

При этом всегда при оценке несимметрии напряжения трехфазной сети в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54149-2010 имеют в виду напряжение (ток) основной частоты (1-я гармоника). Тогда как несим­метричная система может быть образована на любой частоте, в том числе и на частоте высших гармоник. Это обстоятельство необхо­димо учитывать при расчете или измерениисимметричных составляющих напряжений (токов) в сети с несинусоидалышм напряже­нием следующим образом: сначала выделяют основную гармонику напряжения, а затем рассчитывают ее симметричные составляющие. [1]

Причин несимметрии напряжений много, но основная из них — это несимметрия токов в сети, что обусловлено неравенством нагрузки по фазам. Значительная часть бытовых и промышленныхэлектроприемников имеют одно- или двухфазное исполнение и при­соединяются к сетям 380 В. Именно для питания таких электропри­емников сети напряжением 380 В имеют четырехпроводное исполне­ние. Обмотка 380 В трансформаторов, питающих такие сети, соеди­нена в «звезду», а ее нейтраль выводится четвертым токоведушим проводом. Без «нулевого» провода эксплуатация сети невозможна. При его обрыве наступает аварийная ситуация, обусловленная существенной несимметрией напряжения. При этом на отдельных фазах напряжение приближается к междуфазному (380 В), а на дру­гих — к нулю.

Несимметрия напряжений наблюдается в сетях 6—10 кВ как результат нссимметрии нагрузки в сетях 380 В. Подключенные к сетям 6—10 кВ электроприемники имеют трехфазное исполнение. Однако и среди них имеются такие, которые способны создавать несимметрию. К ним относятся, например, дуговые сталеплавильные печи. Регулирование тока электрической дуги в таких печах осущест­вляется пофазно. В режиме расплава могут возникать и эксплуатаци­онные несимметричные короткие замыкания. Высокопроизводитель­ные ДСП-100 и ДСП-200 получают питание от сетей 110—330 кВ.

В сетях высокого напряжения несимметрия может быть обуслов­лена конструкцией линии из-за неравенства ее сопротивлений по фазам. Для симметрирования сопротивлений фаз линии проводят транспозицию фазных проводов, что требует сооружения специаль­ных транспозиционных опор. Конструкции таких опор сложные и дорогостоящие, кроме того, они являются элементами, повреждения в которых наиболее вероятны. Поэтому количество опор стремятся уменьшить, что, естественно, отражается на симметрии напряжений, но способствует повышению надежности электроснабжения. [2]

Еше одна причина несимметрии напряжений — это неполнофазные режимы в сетях с изолированной нейтралью. Их относят к осо­бым, но допустимым по условиям эксплуатации режимам. Эти режимы допускают для сохранения электроснабжения потребителей в ущерб симметрии напряжений на приемном конце такой линии. К таким же особым режимам следует отнести режимы с замыканием на землю одной из фаз в сетях с изолированной нейтралью.

Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметрич­ными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулеой последовательности. Прямая последовательность является основ­ной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Утроенное значение токов нулевой последовательности в нулевых проводах сетей напряжением 380 В приводит к их пере­грузке. Замыкаясь в обмотках трансформаторов, соединенных в «треугольник», токи нулевой последовательности создают эффект подмагничивания. Однако благодаря этому токи нулевой последова­тельности не проникают в сеть 6—10 кВ из сети 380 В.

Ущерб от искажения симметрии напряжения

Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несим­метрии напряжения по обратной последовательности К2и согласно ГОСТ 13109—97 для сетей всех номинальных напряжений составляют соответственно ±2 и ±4 %.

Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к воз­никновению токов обратной последовательности I2U, а в четырехпроводных сетях — токов нулевой последовательности IOU.

Токи I2U вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вра­щения роторов асинхронных двигателей и производительность при­водимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увели­чение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности и, как следствие, снижением напряжения.

При несимметрии напряжений, составляющей 2 %, срок службы асинхронных двигателей ввиду дополнительных потерь активной Мощности сокращается на 10,8 %, синхронных — на 16,2 %, транс­форматоров — на 4 %, конденсаторов — на 20 %. Для того чтобы избежать дополнительного нагрева, нагрузка двигателя (момент на валу) должна быть снижена.

Согласно МЭК 892 номинальная нагрузка двигателя допускается при К2U

Источник

Введение в несимметричность

Johan Driesen, Katholieke Universiteit Leuven

Несбалансированные токи являются важнейшей причиной несимметричного напряжения, а поскольку оно относится к важным параметрам качества энергоснабжения, в данной статье будут рассматриваться несимметричные синусоидальные напряжения.

Что такое дисбаланс?

Определение

Трехфазная система считается сбалансированной или симметричной, когда напряжения и токи каждой из фаз имеют одинаковую амплитуду, а сдвиг амплитуды по фазе равен 1200. Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, то система считается асимметричной, или разбалансированной.

В статье условно полагается, что гармоники отсутствуют, т. е. форма кривых напряжения синусоидальная.

Количественные параметры

Для того чтобы количественно описать дисбаланс напряжения или тока в трехфазной системе, применяются так называемые компоненты Фортескью, или симметричные компоненты. Трехфазную систему условно разбивают на прямую или положительную, обратную или отрицательную, и униполярную или нуль-последовательности, обозначаемые индексами d, i, h (в некоторых источниках – 1, 2, 0). Их используют для расчетов при помощи трансформации матрицы трехфазного напряжения или тока. Индексы u, v, w (иногда a, b, c) означают разные фазы. Приведенное ниже выражение для напряжения U равноприменимо и для тока I с соответствующими значениями переменных величин

Данная трансформация с точки зрения количества энергии инвариантна, т. е. количество энергии, подсчитанное с исходными значениями, всегда одинаково и после трансформации.

Пример обратной трансформации:

Прямая система (система прямой последовательности) ассоциируется с положительным вращением поля, в то время как обратная – имеет отрицательное вращение поля (рис. 1). Так, например, электропривод трехфазного переменного тока служит наглядным примером вращающегося магнитного поля.

Графическое представление симметричных компонентов (прямого, обратного и униполярного)

Униполярные компоненты имеют одинаковые углы векторов фаз и лишь колеблются (без вращения поля). В системах без нейтрального проводника униполярные токи, очевидно, не имеют возможности течения, но между нейтральными точками Y-соединений с нулевым напряжением в питающей системе и нагрузке может возникнуть значительная ЭДС.

Разложение несимметричной системы на составляющие изображено на рис. 2.

Графическое разложение несимметричной системы с использованием компонентов рис. 1

На практике их измерение не столь очевидная процедура, особенно по положительной и отрицательной последовательностям. Использование цифрового измерительного инструмента является более простым способом подсчета по сравнению с классическими аналоговыми.

Значения отношения uU (напряжение) и uI (ток) между величинами амплитуды отрицательной и положительной последовательностей являются количественной величиной дисбаланса (%)

Эти отношения используются, например, в стандартах, связанных с вопросами качества энергии, таких как европейский стандарт EN-50160 или стандарты серии МЭК 1000-3x.

Более простой, хотя и приблизительный, способ определения коэффициента дисбаланса напряжений

В данном случае используются только величины кажущейся мощности нагрузки Sl и мощности короткого замыкания SSC питающей цепи.

Полностью процедуры измерения и определения этих параметров изложены в стандартах. Там же приводятся методики статистического усреднения значений (3, 4) в течение определенного периода времени.

Ограничения

Международные стандарты (например, EN-50160 или стандарты серии МЭК 1000-3x) устанавливают предел коэффициента дисбаланса (3) не более 2 % для систем низкого и среднего напряжения и менее 1 % для высоковольтных на основании измерений в течение 10 минут, допуская отдельные мгновенные значения коэффициента дисбаланса не более 4 %. Однако в отдельных регионах эти величины могут быть уменьшены до уровня 0,25 %, например, на британской части железной дороги, проходящей в тоннеле под Ла-Маншем, поскольку эта часть линии представляет собой гигантскую однофазную нагрузку. Причиной жестких местных ограничений на асимметрию высоковольтных сетей является то, что они предназначены для использования с максимальной загрузкой с симметричными трехфазными нагрузками. Любой дисбаланс приводит к низкой эффективности работы и без того до предела загруженных сетей. При проектировании распределительных систем (низковольтных) питание однофазной нагрузки является одной из важных задач, поэтому и сама система, и присоединенные нагрузки должны разрабатываться и исполняться как можно более устойчивыми к дисбалансу.

Читайте также:  Линий магнитной индукции прямолинейного проводника с током имеют вид

Для примера определим величину требуемой мощности короткого замыкания устройств питания тяги для двухколейной скоростной железнодорожной линии с величиной номинальной мощности 2•15 МВ•А (французская TGV). Используя (4), видим, что при коэффициенте дисбаланса фазного напряжения в 1 % мощность короткого замыкания составит около 3 ГВ•А, что объясняет необходимость присоединения к сети сверхвысокого напряжения.

Более полно стандартизация осуществлена в документах МЭК 61000-2x, являющихся частью системы стандартизации вопросов ЭМС и EN-50160, описывающих характеристики напряжения в точках общего присоединения (PСС, ТОП).

Что вызывает дисбаланс?

При эксплуатации сетей всегда делается попытка обеспечить сбалансированное (симметричное) напряжение в точках общего присоединения между распределительной сетью и системой потребителя. При нормальных условиях на эти напряжения влияние оказывают:

— напряжения на выводах генераторов;

— сопротивление электрической системы;

— токи нагрузок, выплескиваемые в транспортную и распределительную сети.

Напряжения у источника генерации обычно симметричны благодаря конструкции и порядку эксплуатации синхронных генераторов, используемых на больших электростанциях. Поэтому электростанции обычно не являются источником дисбаланса. Даже при использовании асинхронных генераторов (как, например, в некоторых моделях ветровых источников) напряжения фаз симметричны.

Тем не менее там, где увеличивается количество источников промышленной или малой генерации, как правило на территории потребителя, ситуация иная. Многие из относительно небольших источников, в том числе солнечных гальванических, присоединяются в распределительной сети низкого напряжения посредством однофазных электронных инверторов. Точка соединения имеет относительно высокое сопротивление (величина мощности короткого замыкания относительно невелика), что создает большие предпосылки к разбалансировке фазных напряжений (4), чем в случае соединений с более высокими уровнями напряжения.

Сопротивление компонентов электрической системы на разных фазах не совсем одинаково. Так, геометрическая конфигурация воздушных линий электропередачи, асимметричных по отношению к земле, обуславливает разницу электрических параметров линии. В целом такие различия малы и ими можно пренебречь при принятии мер предосторожности.

В подавляющем большинстве случаев источником дисбаланса является асимметричность нагрузки.

На уровне высокого и среднего напряжения нагрузки обычно трехфазные и сбалансированные, хотя встречаются и одно- или двухфазные, как уже упомянутые скоростные железные дороги (рис. 3) или индукционные печи (в металлургии использующие весьма неоднородные по электрическим параметрам дуговые элементы для производства тепла).

Тяговые нагрузки переменного тока на железнодорожном транспорте как пример присоединений асимметричных однофазных нагрузок

Нагрузки в сетях низкого напряжения (компьютеры, системы освещения) обычно однофазные, поэтому обеспечить симметричность трудно. При организации низковольтной системы нагрузки обычно распределяют по фазам по принципу, учитывающему неэлектрические параметры: поэтажно в жилых или административных зданиях или порядно к каждому дому в поселках. Баланс эквивалента нагрузки на выводах распределительного трансформатора постоянно меняется в пределах неких отклонений от статистической суммы нагрузок на каждой фазе из-за индивидуального рабочего цикла каждой отдельной нагрузки.

Дисбаланс также вызывается аномальным состоянием системы. Типичными примерами являются повреждения цепей фаза-земля, фаза-фаза и открытых проводников. Эти повреждения вызывают провалы напряжения на одной или нескольких фазах и могут косвенно привести к образованию сверхнапряжения на оставшихся. В этом случае система становится разбалансированной, но очень часто такое изменение напряжения квалифицируется как скачки напряжения, поскольку защитные средства сети должны отключать поврежденный участок.

Каковы последствия?

Чувствительность электрооборудования к дисбалансу разная. Ниже дается краткий обзор наиболее часто встречающихся проблем.

Индукционные двигатели

Ими являются асинхронные устройства переменного тока с внутренними наведенными вращающимися магнитными полями. Направление ротации поля обратного компонента противоположно полю прямого компонента. В связи с этим в случае разбалансированного питания суммарное вращение магнитного поля становится эллиптическим вместо круглого. Существуют проблемы, связанные с индукционными двигателями, вызванные дисбалансом.

Кривые крутящий момент-скорость индукционного электропривода при несимметричном питании

Во-первых, привод не может развить полный крутящий момент, поскольку противоположная направленность момента, образующегося по отрицательной последовательности, уменьшает величину крутящего момента нормального вращения магнитного поля. На рис. 4 изображены различные характеристики скорость – крутящий момент индукционного электропривода при разбалансированном питании. Видно, что в зоне нормального режима работы (почти прямого участка кривой Td) значения Ti и Th отрицательны. Эти характеристики можно измерить при подсоединении привода, как указано на рис. 5.

Во-вторых, подшипники могут получить механические повреждения наведенными компонентами крутящего момента на частоте, двукратно превышающей частоту системы.

Схемы присоединения индукционного электропривода по питанию с неизвестным компонентом асимметрии

И наконец, статор и ротор испытывают излишнюю тепловую нагрузку, весьма вероятно ускоряющую тепловое старение. Дополнительная тепловая энергия производится из-за наведения токов значительной величины быстровращающимся (относительно) обратным (для ротора) магнитным полем. Для устранения последствий этого эффекта приходится снижать величину номинала мощности такого электропривода, что может потребовать установки более мощного.

Синхронные генераторы

Генераторы синхронного типа также являются устройствами переменного тока, использующимися в малой энергетике, например, в комбинированных электротеплогенераторах. Они могут сломаться от того же, что и индукционные двигатели, но особенно после перегрева. Особое внимание следует уделять проектированию стабилизирующей обмотки ротора, где токи наводятся обратными и униполярными компонентами.

Мощность силовых трансформаторов, кабелей и передающих систем

Мощностные характеристики трансформаторов, кабелей и передающих систем снижаются в результате воздействия компонентов по отрицательной последовательности. Эксплуатационный предел этого явления определяется номиналом RMS суммарного тока, включающего бесполезную составляющую непрямой последовательности. Это следует учитывать при определении порогов срабатывания защитных устройств, управляемых суммарными токами. В результате приходится снижать номиналы соответствующих систем (на основе данных производителя) и применять для выполнения тех же задач изделия с большей номинальной мощностью.

Трансформаторы

Силовые трансформаторы преобразуют напряжения по отрицательным последовательностям так же, как и по положительным. Эффект для униполярных напряжений зависит от соединений первичной и вторичной обмоток и от наличия нейтрального проводника. Если, например, на одной стороне трехфазная цепь с нейтральным проводником, то присутствуют нейтральные токи. А если на другой стороне обмотки соединение по схеме треугольника (дельта), то униполярный ток превращается в циркулирующий в дельта-элементе. Соответствующий униполярный магнитный поток проходит сквозь элементы конструкции трансформатора, вызывая большие потери, что иногда приводит к необходимости дополнительного снижения номинала мощности.

Электронные преобразователи энергии

Такие устройства весьма распространены, например, в регулируемых электроприводах, источниках питания для компьютерных устройств, энергосберегающих осветительных приборах и т. д. Электронные преобразователи энергии могут стать дополнительным источником, хотя в целом суммарные гармонические искажения останутся более или менее постоянными. Однако сам эффект должен обязательно учитываться производителями пассивных фильтров.

Перечисленные выше устройства – трехфазные нагрузки. Но, разумеется, однофазные нагрузки тоже могут подвергнуться отрицательному воздействию дисбаланса.

Как снизить влияние дисбаланса?

Для снижения последствий дисбаланса можно предпринять несколько действий, каждое из которых имеет различную степень сложности.

Первое и основное решение состоит в перераспределении нагрузок по фазам таким образом, чтобы их величины стали равными. Для некоторых из нагрузок может оказаться достаточным коррекция эксплуатационных параметров.

Для снижения влияния токов по отрицательной последовательности, вызывающих падение напряжения, требуется система с малым внутренним сопротивлением. Этого можно достичь путем соединения разбалансированных нагрузок в точках с более высоким уровнем мощности короткого замыкания или иными известными способами снижения внутреннего сопротивления.

К другому типу мероприятий относится применение специальных трансформаторов, а именно трансформаторов схемы Скотта и схемы Штайнмеца:

— трансформатор схемы Скотта состоит из двух однофазных трансформаторов, присоединенных к трехфазной системе. Они соединены так, что на выходе образуются две однофазные системы, которые избавляют трехфазную сеть от влияния асимметричной нагрузки;

— трансформатор Штайнмеца представляет собой трехфазный трансформатор с дополнительной симметрирующей нагрузкой, состоящей из емкости и индуктора с номиналами, пропорциональными однофазным нагрузкам (рис. 6). Когда значение реактивной мощности индуктора и емкости равно активной мощности нагрузки, деленной на √3, трехфазная сеть получает симметричную нагрузку. Значение номинальной трехфазной мощности трансформатора равно активной мощности однофазной нагрузки. Следует помнить о том, что идеальная симметрия достигается только для нагрузок, мощность которых точно соответствует той, что выбрана при проектировании системы.

Однофазная нагрузка, присоединенная в трехфазной сети при помощи трансформатора по схеме Штайнмеца

И наконец, специальные быстродействующие электронные силовые устройства могут применяться для ограничения дисбаланса. Эффект их применения основан на быстром изменении величины дополнительного сопротивления, компенсирующего отклонения на каждой фазе. Эти устройства могут компенсировать ненужную реактивную мощность. Однако они довольно дороги и их применяют для очень больших нагрузок, например, для дуговых печей, поскольку иные способы в данном случае малоэффективны.

Сейчас разрабатываются и другие виды устройств для снижения последствий асимметрии фазных токов (напряжений) и иных проблем качества электроэнергии.

Заключение

Асимметрия представляет собой серьезную проблему качества электроэнергии, оказывающей негативное воздействие преимущественно на низковольтные распределительные сети, например, в административных зданиях из-за широкого применения компьютерной техники и современных осветительных приборов. Однако этот эффект довольно просто показать в количественных показателях, что позволяет сравнить его величину с требуемыми нормами.

Успешное решение проблемы асимметрии, безусловно, приводит к снижению стоимости эксплуатации и, что крайне важно, энергопотерь.

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди

«Прикладное руководство по качеству электроэнергии»

Источник