Исследование несимметричных режимов работы в сельских распределительных электрических сетях 0,38 кВ в Монголии

Установлено [1, 2, 3, 4], что несимметрия токов и напряжений существенно влияет на увеличение потерь электрической энергии и снижение её качества.

Цель исследований . Минимизация несимметричных режимов работы этих сетей.

Задачи исследований . Получение данных по несимметрии токов и напряжений; расчет значений показателей несимметрии, характеризующих ухудшение качества и увеличение потерь электроэнергии; анализ и рекомендации по симметрированию режима работы исследуемых сетей.

Результаты исследований и их обсуждение . Пригородные распределительные электрические сети хозяйства представлены трансформаторными подстанциями 10/0,4 кВ (144 шт.), воздушными ЛЭП 10 кВ – 432 км, кабельными ЛЭП 10 кВ – 7,8 км, воздушными ЛЭП 0,38 кВ – 204,9 км и кабельными ЛЭП 0,38 кВ – 62,6 км.

Измерения токов и напряжений производились на трёх трансформаторных подстанциях – ТП-5, ТП-9 и ТП-17 – на 9 отходящих линиях напряжением 0,38 кВ. В качестве инструмента измерений были использованы сертифицированные измерители качества электрической энергии «Ресурс-УФ2-М» и цифровые мультиметры «М-200». Измерения осуществлялись в соответствии с действующим ГОСТ 308.4.4.30-2013. Выборка средневзвешенных значений измеряемых величин производилась в течение 1008 десятиминутных интервалов в неделю в соответствии с ГОСТ 32144-2013.

В качестве примера рассмотрим результаты исследований несимметричных режимов на примере ТП-9. Номинальная мошность трансформатора ТМ 400 кВ∙А. Электрическая электроэнергия передается на одноквартирные дома, мастерские и магазин. Потребители имеют следующую нагрузку: обогрев помещения: 81,5 кВт (калорифер 44 кВт, ТЭНы по 2,5 кВт – 15 шт.); сварочный аппарат – 15 кВт; молот – 4 кВт; наждак – 1,5 кВт; тельфер – 3 кВт; вулканизатор – 3 кВт; освещение – 11,4 кВт (6 ламп ДРЛ-400, 18 ламп накаливания по 500 Вт).

В результате произведенных измерений фазных и междуфазных токов и напряжений на исследуемых, отходящих от подстанций, ЛЭП, а также расчета показателей несимметрии токов и напряжений, показателей качества и дополнительных потерь электрической энергии отдельно для зимнего, весеннего, летнего и осеннего периодов были получены данные, которые представлены в сводной таблице результатов экспериментальных исследований на ТП 9 (табл.). Проведем анализ полученных результатов для весеннего периода исследований. На основании данных измерений и расчетов нами построены временные диаграммы изменения этих величин за исследуемые периоды времени, которые представлены на рис. 1–6.

Линия 1

Рис. 1. Временная диаграмма изменения фазных токов

Рис. 2. Временная диаграмма изменения фазных напряжений

Рис. 3. Временная диаграмма изменения междуфазных напряжений

Рис. 4. Временная диаграмма изменения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям

Результаты экспериментальных исследований несимметричных режимов на ТП 9

ТП 9	U A , В	U B , В	U C , В	U AB , В	U BC , В	U CA , В	I A , А	I B , А	I C , А	I N , А	I BC , А	K 2i , о.е.	K 0i , о.е.	K Р , о.е.	K 2U , о.е.	K 0U , о.е.
Зима
Л 1	227	227	217	394	393	383	59,06	28,56	69,85	36,99	64,78	0,473	0,273	1,534	0,026	0,022
Л 2	217	227	227	394	394	383	14,76	20,44	17,85	14,55	25,30	0,471	0,331	1,861	0,021	0,038
Л 3	217	227	227	393	393	383	44,29	13,26	9,68	32,12	14,04	0,747	0,445	2,695	0,019	0,037
Весна
Л 1	233	239	219	404	390	401	95,82	27,92	67,64	66,19	64,31	0,702	0,437	2,317	0,029	0,056
Л 2	233	240	221	404	394	403	23,14	18,01	11,25	12,47	18,65	0,366	0,249	1,42	0,019	0,048
Л 3	233	240	222	404	394	402	10,78	13,29	55,63	43,56	55,12	0,626	0,549	3,032	0,021	0,048
Лето
Л 1	225	229	219	392	389	381	68,15	24,51	44,45	31,87	43,14	0,518	0,24	1,518	0,021	0,019
Л 2	225	229	219	393	391	382	14,59	14,41	7,66	8,91	14,01	0,367	0,187	1,209	0,018	0,015
Л 3	225	229	219	392	389	381	67,68	24,48	44,12	31,56	42,78	0,518	0,24	1,518	0,021	0,019
Осень
Л 1	227	224	219	388	376	390	101,01	33,71	59,25	54,17	60,06	0,595	0,292	1,724	0,012	0,02
Л 2	227	225	219	389	381	390	15,50	19,28	12,20	16,35	18,26	0,541	0,421	2,22	0,014	0,023
Л 3	227	224	220	389	381	390	4,58	20,69	42,89	26,33	38,34	0,871	0,495	2,866	0,017	0,026

пУ/Срн эпУээ hit насади

Рис. 5. Временная диаграмма изменения коэффициента потерь мощности

Рис. 6. Временная диаграмма изменения коэффициентов несимметрии токов по обратной и нулевой последовательностям

Анализ полученных зависимостей (рис. 1–6) показал следующее. На рисунке 1 представлена временная диаграмма изменения фазных токов в исследуемой ЛЭП. Как видно, для линии 1 наиболее загруженной является фаза «А», по которой протекает средний за исследуемый период времени ток, равный 96 А. В фазах «В» и «С» такой ток соответственно составляет 28 и 68 А. Данный «перекос фаз» привел к возникновению коэффициентов обратной К 2 i и нулевой К о i последовательностей (рис. 6), среднее значение которых за исследуемый период времени составило соответственно 0,7 и 0,4, что в свою очередь привело к увеличению потерь мощности, характеризующейся коэффициентом дополнительных потерь К Р (рис. 5), среднее значение которого за исследуемое время составило 2,3.

Таким образом, потери электрической энергии в реальном несимметричном режиме в 2,3 раза превышают потери, обусловленные протеканием только токов прямой последовательности.

Рассмотрим, как дополнительные потери мощности в несимметричном режиме влияют на увеличение стоимости электрической энергии. Предполагаем, что электрическая энергия передается по данной ЛЭП в течение года непрерывно. Таким образом, время потерь т условно можно принять можно принять равным 2190 ч в для каждого времени года.

Тогда общие потери электрической энергии в исследуемой ЛЭП с учётом несимметрии токов в каждой из фаз:

ДW = l■ Го т-(iA. + IB + IC), где l - длина исследуемой ЛЭП (составляющая 1,2 км); ro - активное сопротивление 1 км провода, равное 1,16 Ом/км; т = 2190 ч.; IA, IB, !с - соответственно средние значения фазных токов в ЛЭП за период исследования. (Токи в фазах, средние за период измерения, составили соответственно 96 А, 28 А и 68 А.). Таким образом:

Д W = 1,2 ■ 1,16 ■ 2190 ■ (962 + 282 + 682) = 49190,3 кВт ■ ч

Потери электрической энергии в условно-симметричном режиме (в том случае, если бы коэффициент потерь мощности был равен 1) при среднем значении коэффициента потерь, равном 2,3:

ДWCИм. =ДW / КР = 4919(03 / 2,3 = 21387кВт ■ ч.

Потери электрической энергии, приходящиеся на долю несимметрии фазных токов:

AWHEc =AW— AWCHM. = 491903-21387= 278033 кВт• ч.

Стоимость электрической энергии для сельских электрических сетей составляет 113,9 тугр/кВт∙ч. В долларовом эквиваленте на 13.14.2014 г. это составит 0,062 долл/кВт∙ч (1$=1840 тугр.). Таким образом, стоимость дополнительных потерь электрической энергии, обусловленных несимметрией токов, за год в исследуемой ЛЭП составили:

С = AWhec • в = 2 78033 • 0,062= 17238 $ = 3171801)5 тугр.

Следует отметить, что данные потери электрической энергии и их стоимость просчитаны только непосредственно для исследуемой отходящей ЛЭП. Протекание токов нулевой и обратной последовательностей по обмотке низкого напряжения силового трансформатора также приводит к увеличению потерь, которые будут определяться суммированием токов обратной и нулевой последовательностей от каждой из присоединенных к шинам 0,4 кВ линий электропередачи. Поэтому полученное значение стоимости дополнительных потерь электроэнергии значительно увеличится.

Как видно из графиков (рис. 2–3), уровень несимметрии напряжений достигает значительной величины, что приводит к возникновению коэффициентов несимметрии напряжений по обратной ( K_2U ) и нулевой ( K_{0 U} ) последовательностям, которые за исследуемый период времени в среднем составили соответственно 3 и 5 % (рис. 4). Согласно ГОСТ 32144-2013, значения этих коэффициентов в десятиминутном интервале измерений в одну неделю в 100 %, времени этого интервала не должны превышать 4 %, причем в 95 % времени этого интервала – не более 2 %.

Таким образом, в 100 % времени интервала измерений коэффициент K _{0 U} превышает установленные значения соответственно в 1,25 раза, причем в 95 % исследуемого интервала эти показатели превышают нормальные (2 %) значения соответственно в 1,5 и в 2,5 раза.

Симметрирование режима работы данной электрической сети возможно за счет снижения систематической (неслучайной) и вероятностной несимметрий фазных токов.

Статистическая несимметрия токов, обусловленная неравномерным характером распределения однофазных нагрузок по фазам трёхфазной электрической сети, может быть уменьшена путем перераспределения однофазных нагрузок, а именно: снять нагрузку с перегруженных фаз – с фазы «А» – 32 А, с фазы «С» – 4 А – и всю эту нагрузку переподключить на фазу «В». В результате в каждой из фаз будет симметрично подключена нагрузка, потребляющая ток по 64 А.

Вместе с этим вероятностную составляющую несимметрии токов ничем, кроме симметрирующего устройства [5], уменьшить невозможно. Вследствие этого наиболее эффективным средством нормализации режима работы данной ЛЭП является подключение шунто-симметрирующего устройства, параметры которого можно рассчитать по методике, изложенной в [6]:

Y су i = Y Э1 — Y 1 — Y si ;

Y СУ 2 = Y Э2 — Y 2 — Y S2 ;

Y су о = YЭ1 — Yo, где Yсу 1, Yсу 2, Yсу о - соответственно комплексные проводимости прямой, обратной и нулевой последовательностей симметрирующего устройства; Yэ 1, Yэ2, Yэо - эквивалент- ные проводимости схем замещения соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей; Y1, Y2, Y0 - комплексные проводимости электрической сети соответственно прямой, обратной и нулевой последовательностей;

Y si , Y s2

- комплексные проводимости трёхфаз-

ной симметричной нагрузки соответственно прямой и обратной последовательностей.

Использование данной методики позволило определить параметры симметрирующего устройства для исследуемой линии электропередачи:

Z СУ 1 = Z СУ2' = 267,82е 4 ' Ом;

Z СУ0 = 0044е⁴¹¹⁴¹³ Ом.

Таким образом, осуществленный анализ показал, что режим работы исследуемой электрической сети является объективно-несимметричным и требует применения мероприятий, в частности, установки шунто-симметрирующего устройства для снижения дополнительных потерь и повышения качества электрической энергии. Аналогичный анализ проведен и для двух остальных ЛЭП. Результаты анализа показали следующее.

Стоимость дополнительных потерь электроэнергии для линий 2 и 3 составила соответственно 160,621,7 и 328418,7 тугр. Суммарная стоимость потерь электроэнергии в трёх отходящих ЛЭП составила 3660840,9 тугр. Используя полученные значения для показателей несимметрии токов, а также соответствующие значения коэффициента потерь для каждой из отходящих ЛЭП, не составляет труда определить и дополнительные потери энергии и их стоимость в силовом трансформаторе. Стоимость потерь составила 207720 тугр.

Таким образом, стоимость суммарных потерь электроэнергии для исследуемой сети в весенний период составила 3868560,9 тугр. (2102,5 $).

Произведенные исследования качества электроэнергии в весенний период для всех трёх ЛЭП показали, что значения коэффициента K практически удовлетворяют требованиям стандарта, но при этом среднее значение коэффициента K составило 5,1 %, что превышает в 1,3 раза требуемые значения для 100 % времени интервала измерения и почти в 2,6 раза – значения для 95 % времени этого интервала.

Заключение . Уровень несимметрии токов и напряжений в исследуемых электрических сетях достигает значительной величины и не удовлетворяет требованиям ГОСТ 32144-2013. Симметрирование режима работы сетей возможно перераспределением однофазных нагрузок по фазам, а также установкой симметрирующих устройств в узле нагрузок.