Симетрування за допомогою введення системи додаткових е.р.с

· причини несиметрії;

· впливу несиметрії напруг на техніко-економічні показники електроприймачів та елементи мережі;

· визначення показників якості електроенергії за несиметрією відповідно до ГОСТ 13107-97;

· нормування показників якості електроенергії за несиметрією;

· способів та засобів зменшення несиметрії в електричних мережах.

2. Набуття навичок вимірювання та розрахунку несиметріїнапруг.

2. теоретичні засади

Несиметрія напруги виникає у випадках несиметрії поздовжніх параметрів лінії (або неповнофазних режимів) з симетричним навантаженням або за умов симетрії поздовжніх параметрів ЕПС та несиметричних навантаженнях; можливі випадки несиметрії параметрів та несиметричного навантаження. Причиною появи несиметрії напруги переважно є потужні несиметричні навантаження ( наприклад, індукційні печі, зварювальні агрегати, установки електрошлакового переплавка тощо).

Наявність несиметричних навантажень викликає додаткові втрати потужності в елементах мережі (лініях, трансформаторах), а несиметрія напруг трифазної системи негативно впливає на інші електроприймачі і в першу чергу на двигуни.

Несиметричним режимом роботи багатофазної електричної системи називають такий режим, при якому умови роботи однієї чи усіх фаз виявляються неоднаковими.

У багатофазних системах, наприклад трифазних, розрізняють короткочасні і тривалі (експлуатаційні) несиметричні режими.

Короткочасна несиметрія звичайно зв'язана з такими аварійними процесами, як, наприклад, короткі замикання, обрив з замиканням на землю, відключення фаз при однофазному автоматичному повторному включенні і т.д. Тривала несиметрія може виникнути при наявності несиметрії в тому чи іншому елементі системи електропередач, або при підключенні до системи несиметричних (наприклад, однофазних) навантажень.

Несиметрію, обумовлену несиметрією лінії електропередачі, називають подовжною. Нею характеризуються, наприклад, неповно-фазні режими, що виникають при по фазному ремонті лінії чи електропередачі іншого устаткування, і післяаварійні режими, коли при аварії на одній з фаз лінії електропередачі відключенню підлягає тільки ушкоджена фаза. Повздовжня несиметрія властива також спеціальним системам електропередач: два проводи — земля (ДПЗ), два проводи – рейки (ДПР), два проводи – труба (ДПТ) і ін.

Несиметрію, обумовлену несиметричним навантаженням (однофазні електрометричні установки, електрозварювальні пристрої, тягові навантаження й ін.), називають поперечною.

При несиметричному режимі в трифазній системі з'являються симетричні складові струмів і напруг зворотної і нульової послідовностей, що негативно впливають на роботу електроустаткування. Струми зворотної послідовності викликають появу зворотно синхронного магнітного поля, що обумовлює додаткове нагрівання електричних машин і зниження обертаючих моментів електродвигунів, а також спотворює трикутник напруг у споживача і на генераторних шинах. Струми нульової послідовності ведуть до несиметрії фазних напруг мережі, а також негативно впливають на лінії, що поблизу знаходяться, (наприклад, лінії зв'язку).

В мережах за умов несиметрії струмів збільшуються втрати напруги (в більш завантаженій фазі),а також потужності та енергії. Так в симетричному режимі втрати потужності, наприклад, в лінії, визначаються за формулою

(2.2)

У випадку наявності несиметрії струмів, за умов передачі такої ж потужності, струм в одній фазі лишається незмінним, в другій - збільшується на величину DІ, а в третій - зменшується на таку саму величину. Втрати потужності становитимуть

(2.3)

тобто додаткові втрати пропорційні подвійному квадрату струму несиметрії.

За наявністю несиметрії напруги на шинах, до яких приєднана конденсаторна батарея, її потужність зменшується, оскільки вона має бути обмежена потужністю найбільш завантаженої фази.

За цих умов зменшується також ефективність роботи багатофазних випрямлячів, обмежується їх потужність.

Несиметрію трифазної системи прийнято характеризувати коефіцієнтами несиметрії струмів і напруг:

eu= U"/ U' ; (2.4)

ei=I"/I', (2.5) деU',I'іU",I"-симетричні складові напруг і струмів прямої і зворотної послідовностей.

2.1.Вплив несиметрії на синхронні генератори

При наявності несиметричних навантажень великої потужності, що харчуються від трифазної системи, у статорах генераторів протікають струми прямої, зворотної і нульової послідовностей. Струми прямої послідовності створюють магнітне поле, що обертається синхронно з ротором, а зворотної — магнітне поле, що обертається з подвійною синхронною швидкістю в напрямку, зворотному напрямку обертання ротора, і наводить в останньому е.р. с. з частотою 100 гц. Ця е. р. с. обумовлює в обмотці збудження струму, що пульсує поле яке можна розкласти на дві складові: поле, що обертається в напрямку обертання ротора і навідне в статорі е.р. с. потрійної частоти, і поле, що обертається в напрямку,зворотньому напрямку обертання ротора, і навідне в статорі е.р. с. з частотою основного поля зворотньої послідовності, частково компенсуючи його. Е. р. с. потрійної частоти викликає в статорі струми прямої і зворотної послідовностей такої ж частоти. Магнітне поле струмів зворотної послідовності викликає в обмотці ротора е.р.с. з частотою 200 гц і т.д.

Таким чином, у статорі створюється непарний, а в обмотці збудження — парний спектр гармонік струмів прямої і зворотної послідовностей. Ці струми обумовлюють додаткове нагрівання як статора, так і ротора синхронної машини, що досягає часто загрозливих величин, особливо для ротора.

2.2.Вплив несиметрії на асинхронні електродвигуни

Несиметричні струми, викликані всистемі несиметричним навантаженням, унаслідок кінцівки опорів ліній електропередач викликають несиметрію напруг. В асинхронних електродвигунах ця несиметрія обумовлює додаткове нагрівання, а також протидіючий обертаючий момент, що зменшує корисний момент.

Таким чином, зменшення обертаючого моменту дорівнює квадрату коефіцієнта несиметрії напруг. Відзначимо, що так як для загальмованого двигуна S = 1, а Z’= Z’’ то вираження справедливе також і для пускового режиму.

Оскільки опір зворотньої послідовності асинхронних електродвигунів у 5—7 разів меньший опору прямої послідовності, то при наявності навіть невеликої по величині складовій напруг зворотної послідовності виникає струм значної величини. Цей струм накладається на струм прямої послідовності й обумовлює додаткове нагрівання ротора і статора, у результаті чого швидко старіє ізоляція і зменшується потужність двигуна. Установлено, що термін служби цілком навантаженого асинхронного двигуна, що працює при несиметрії напруг у 4%, скорочується в два рази.

Особливо небезпечна несиметрія напруг для асинхронних двигунів при підвищеній напрузі мережі (у таких умовах працюють, наприклад, двигуни для приводу допоміжних механізмів на електровозах перемінного струму). У результаті дії несиметрії і підвищеної напруги припустима потужність двигунів значно знижується. Тому в таких випадках установлену потужність асинхронних двигунів необхідно збільшувати в 2—2,5 рази. Оскільки додаткові теплові втрати мають квадратичну залежність від несиметрії напруг, то тривала несиметрія напруг приблизно в 2% мало впливає на термін служби цілком навантаженого асинхронного двигуна.

У деяких випадках навантаження буває обмежене чи переривчасте і припустима несиметрія напруг може бути трохи більша. Це зумовлене тим, що неприпустиме нагрівання настає тільки після тривалого впливу несиметрії, і в розрахунки можна вводити не максимальну і діючу нетривалий час несиметрію, а використовувати величину, дію якої триває чверть чи пів години. Результати досліджень показали, що припустимою несиметрією напруг для асинхронних двигунів варто вважати несиметрію до 2%. Як видно з вираження, зниження обертаючого моменту при цьому буде також незначним.

2.3. Вплив схеми сполучення обмоток цехових трансформаторів на показники несиметричності в розподільчих мережах напругою нижче 1 кВ

Розподільчі мережі 380 В промислових підприємств вмикаються за чотири провідною трифазною схемою з глухим ущемленням нейтралі.На підприємствах гірської промисловості й інших підприємствах із особливими вимогами за технікою безпеки застосовуються три провідні мережі 380 В із ізольованою нейтраллю.Мережі 660 В також можуть вмикатися за три- та чотири провідною схемою,як і мережі 380 В.У чотири провідній мережі за несиметричного навантаження різко змінюються фазні напруги.Тому три провідна мережа застосовується для електропостачання трифазних двигунів й інших трифазних електроприймачів із симетричним навантаженням.На промислових підприємствах переважно застосовується чотири провідна мережа напругою до 1 кВ,що забезпечує асиметричніші фазні напруги під час живлення спільно і трифазних, і однофазних навантажень, у тому числі електроосвітлення.

У електромережах напругою до 1 кВ підприємств однофазні електроприймачі (електропечі, зварювання, світильники й т.д.) частіше вмикаються на фазну напругу й тому чутливі до несиметричності фазних напруг.

Несиметричність фазних напруг характеризується коефіцієнтом неврівноваженості або коефіцієнтом зсуву нейтралі Кнв.

2.4.Розрахунок несиметрії напруг

Визначення коефіцієнтів несиметрії здійснюють за даними вимірювань лінійних та фазних напруг за період 24 год. наступним чином.

Розрахунок коефіцієнта несиметрії оберненої послідовності виконують для кожного і-го спостереження за даними вимірювань міжфазних напруг основної частоти U_AB(1)і,U_{BC(1)і ,}U_CA(1)і, для чого спочатку розраховують діюче значення напруги оберненої послідовності основної частоти U_2(1)і за формулою

. (2.6)

За діючим значенням оберненої напруги U_2(1)ірозраховують коефіцієнт оберненої послідовності K_2Uі для і-го спостереження за формулою

, (2.7)

Для визначення K_2Uі допускається:

1) розраховувати U_2(1)іза методом симетричних складових;

2) розраховувати U_2(1)і за наближеною формулою

U_2(1)і= 0,62(U_нб(1)і-U_нм(1)і), (2.8)

де U_нб(1)і, U_нм(1)і – найбільше та найменше діючи значення з трьох міжфазних напруг основної частоти для і-го спостереження, В, кВ.

3) застосувати для розрахунку K_2Uі замість діючих значень міжфазних напруг діючі значення відповідних напруг з врахуванням гармонічних складових з коефіцієнтом спотворення синусоїдності напруги не більше 5%.

4) розраховувати K_2Uі за формулою

, (2.9)

де U_ном – номінальне значення міжфазної напруги(В, кВ).

Значення коефіцієнта несиметрії напруги оберненої послідовності K_2U (%) як результат осереднення N спостережень за інтервал часу T_vs , рівному 3 с, розраховують за формулою

(2.10)

Визначення коефіцієнта несиметрії нульової послідовності K_0Uі у чотирипровідних мережах, для чого вимірюють одночасно три міжфазних та дві фазних напруги основної частоти U_AB(1)і,U_{BC(1)і ,}U_CA(1)і, U_A(1)і,U_B(1)і, (В, кВ).

Розрахунок діючого значення напруги нульової послідовності основної частоти здійснюють за точною формулою

(2.11)

За діючим значенням напруги нульової послідовності U_0(1)ірозраховують коефіцієнт нульової послідовності K_0Uі для і-го спостереження за формулою

, (2.12)

Для визначення K_0Uі допускається:

1) розраховувати U_0(1)іза методом симетричних складових;

2) розраховувати U_0(1)і за наближеною формулою

U_0(1)і= 0,62(U_{нб ф(1)і}-U_{нм ф(1)і}), (2.13)

де U_{нб ф(1)і}, U_{нм ф(1)і} – найбільше та найменше діючи значення з трьох фазних напруг основної частоти для і-го спостереження, В, кВ.

3)застосувати для розрахунку K_0Uі замість діючих значень фазних напруг діючі значення відповідних напруг з врахуванням гармонічних складових з коефіцієнтом спотворення синусоїдності напруги не більше 5%.

4)розраховувати K_0Uі за формулою (переробити на 0)

, (2.14)

де U_{ном ф}– номінальне значення фазної напруги(В, кВ).

Розрахунок значення коефіцієнта несиметрії напруги нульової послідовності K_0U (%) як результат осереднення N спостережень за інтервал часу T_vs , рівному 3 с, за формулою

(2.15)

Кількість спостережень N повинно бути не менше 9.

Якість електричної енергії за показниками коефіцієнтів несиметрії напруг оберненої та нульової послідовностей в точках загального приєднання вважають такими, що відповідають вимогам чинного стандарту, якщо найбільші з усіх значень коефіцієнтів несиметрії, виміряних на протязі 24 год., не перевищують гранично допустимого значення, а осереднені значення цих коефіцієнтів, які відповідають ймовірності 95%, не перевищують нормально допустимого значення.

Допускається визначати відповідність нормам стандарту за сумарною тривалістю часу виходу розрахованих значень даних показників за нормально та гранично допустимі величини, як і для попередніх показників.

3. МЕТОДИ І ЗАСОБИ СИМЕТРУВАННЯ

3.1.Загальні засади

Режим трифазної системи симетричний при відсутності пульсуючої потужності, тобто коли в системі існують напруги і струми тільки прямої послідовності. Тому всі методи попередження несиметрії (симетрування) спрямовані на компенсацію зазначеної потужності, тобто на зменшення симетричних складових зворотної і нульової послідовностей. Розрізняють внутрішнє і зовнішнє симетрування. (При внутрішньому симетруванні несиметричне (однофазне) навантаження розподіляється між фазами по можливості рівномірно, що зменшує, таким чином, її вплив на систему. Цей метод застосовують для зменшення несиметрії тягових навантажень електрифікованих залізниць, коли різні тягові підстанції підключаються до фаз системи за «гвинтовом» закононом. Досягти повної симетрії методом внутрішнього симетрування вдається надзвичайно рідко, оскільки сумарне навантаження в загальному випадку все ж таки залишаються несиметричним.

Під зовнішнім розуміють штучне симетрування з застосуванням різних пристроїв, підключених до трифазної мережі так, щоб струми в трифазному джерелі і мережі були симетричними і створювали систему прямої послідовності. Таке симетрування одержало широке поширення і може бути виконано різними способами.

3.2.Підключення до недовантажених фаз додаткових опорів для симетрування сумарного навантаження

Це простий, але неекономічний спосіб, оскільки веде до значних втрат енергії в зазначених опорах. Крім того, для його здійснення при наявності несиметричних навантажень з різними параметрами необхідно мати значний арсенал додаткових опорів. Усе ж таки цей спосіб іноді рекомендують застосовувати для захисту турбогенераторів при обриві однієї з фаз.

3.3. Застосування багатофазної схеми випрямлення струму (наприклад, схеми Ларіонова)

Таке симетрування можна здійснити, коли однофазне навантаження може нормально працювати при живлені від джерела постійного струму. Недоліком цього способу є те, що вищі гармоніки, обумовлені схемою випрямлення проникають умережу, спотворюють форму кривих струмів і напруг і приводять до збільшення втрат енергії в електроустаткуванні.

Застосування агрегату «трифазний двигун — однофазний генератор». Такий спосіб зв'язаний зі значними витратами встановлених потужностей і втратами енергії (до 25%).

3.4. Симетрування за допомогою фазових зрівнювачів

Струми зворотної послідовності, викликані несиметричним навантаженням, компенсуються за допомогою синхронних машин, що створюють необхідну для цього систему е.р. с. зворотної послідовності. Електромагнітні фазові зрівнювачі не одержали широкого поширення через велику вагу (12—14 кг/ква) і габаритів, а також складності конструкції і невисокої надійності. В даний час їх пропонують використовувати для комплексного рішення проблеми симетрування й усунення коливань напруги, викликаних дуговими сталеплавильними печами.

3.5. Використання симетруючого ефекту трифазних асинхронних двигунівЯкщо трифазний двигун приєднаний до системи з несиметричним навантаженням, він прагне відновити симетрію системи. Для цього випадку справедливе вираження

eu= = (3.16)

де Z — опір лінії між джерелом живлення і місцем приєднання несиметричного навантаження; Z’Д, Z’’Д— опір двигуна прямої і зворотної послідовностей; U’Н, U’’Н — напруга на навантаженні прямої і зворотної послідовностей.

З рівняння видно, що асинхронний двигун прагне зменшити несиметрію, оскільки Z’’Д<< Z’Д. При цьому струми зворотної послідовності, обумовлені навантаженням і двигуном, мають практично протилежні знаки.

У сумі вони зменшують результуючий струм зворотної послідовності в лінії. Максимальний симетруючий ефект створюють двигуни з мінімальним опором зворотної послідовності.

Недолік цього способу є те, що асинхронні двигуни повинні працювати зі значним недовантаженням, тому що впротивному випадку вони можуть вийти з ладу внаслідок перегріву.