Обоснование мероприятий по снижению потерь электрической энергии и повышению уровня электробезопасности потребителей

Введение. Использование электроэнергии в различных сферах жизнедеятельности, включая агропромышленный комплекс (АПК), сопровождается потерями, а также электропоражениями обслуживающего персонала и не только его [1, 2, 3]. К изложенному добавляются ситуации, приводящие к перерывам в электроснабжении, что дорого обходится экономике предприятий и страны в целом. Только по АПК эти потери весьма существенны [4, 5, 6]. Проблема относится к числу архиактуальных. Сказанное подтверждается указом Президента Российской Федерации [7, 8]. Следовательно, необходимость мероприятий по исполнению требований названного указа очевидна, что диктует потребность в обосновании и разработке соответствующих мероприятий. В связи с изложенным выполнены исследования по возможности снижения потерь и электропоражений потребителей электроэнергии.

Методика исследования основана на анализе материалов собственных исследований, а также исследований других авторов по проблемам инженерно-технического обеспечения снижения потерь электроэнергии и электропоражений потребителей электроэнергии в производстве и в быту.

Результаты исследований. Рассмотрим компенсацию токов обратной последовательности в трехпроводной трехфазной сети (рисунок 1). Неоднородные комплексные прово димости Үд, Үв и Yc «генерируют» токи обратной последовательности.

Токи нулевой последовательности в такой сети отсутствуют. Компенсация токов обратной последовательности заключается в формировании в параллельной нагрузке ветви тока противоположного направления. В этом случае ток, текущий по фазным проводам, стремится к нулю (или к своей активной составляющей). Компенсационный ток формируется параллельно включенной ветви с проводимостью, имеющей противоположный знак по отношению к проводимости нагрузки (как при компенсации реактивного тока); аналогично компенсируют токи нулевой последовательности, для чего проводимости нагрузки преобразуют из «звезды» Үа, Үв и Yc в «треугольник»: Үав, Үвс и Yca. Напряжение источника симметрично и равно ІҺ, тогда токи прямой (li), обратной (1г) и нулевой (Iq) последовательностей будут равны:

li=UiYi,k=UiY2,lo=UiYo.

Проводимости нагрузки прямой, обратной и нулевой последовательностей определяют из выражений (при а = е i120°):

Y1 - (Үдв + Үвс + Yca)/3,

Ү2=(ҮАв+а.Үвс + а2.үСА)/3,     (1)

Үо=(Үав+ә² -Үвс + a Үса)/3.

Рисунок 1 - Компенсация токов обратной последовательности в трехфазной трехпроводной сети

В трехпроводной трехфазной сети ток обратной последовательности компенсируется включением параллельно нагрузке компенсационного «треугольника», который для исключения потребления активной мощности должен состоять из реактивных элементов и должен компенсировать реактивную составляющую тока прямой последовательности. Это становится возможным, если проводимости прямой, обратной и нулевой последовательностей компенсационного треугольника принять равными:

YlK = -j'Bl, Ү2К="Ү2, Үок=Ьк где Bi-реактивная проводимость прямой последовательности;

ҮІ2- комплекс, сопряженный с комплексом проводимости обратной последовательности.

Обратные преобразования к фазным проводимостям дают зависимости, непосредственно связывающие проводимости нагрузки Gab, Gbc, Gca с реактивными проводимостями Вдв, Ввс, Вса «треугольника» нагрузки:

Yabk = j [(Gca - Gbc) I ^3 - Bab] ,

Ybck = j [(Gab - Gca) I "V3 - Ввс],

Ycak = j [(Gbc - Gab) / V3 - Вса].

Проводимости прямой, обратной и нулевой последовательностей «звезды» нагрузки в идеальной трехфазной четырех про вод ной сети с глухо заземленной нейтралью (рисунок 2) определяют из выражений (1).

Проводимости компенсационной «звезды»:

YliK=-j-Bi, Ү^к=ҮІо, Гок=-Үо.

Обратный переход позволяет получить фазные проводимости компенсационной «звезды» Yak, Ybk, Үск, связывающие проводимости нагрузки Ga, Gb, Ga с реактивными проводимостями Ва, Вб, Вс «звезды» нагрузки:

Yak = H(Gb-Gc)/^3-Ba],

Үвк = ][(Сс-Са)/^3-Вв],

Yck = J[(Ga-Gb)N3-Bc].

Определение проводимостей компенсационного «треугольника» найдем из эквивалентной проводимости «звезды» нагрузки и компенсационной «звезды»

Үаі= Үа + Үак; Үв2= Үв+Үвк; Үс^= Yc + Yck и преобразуем их в эквивалентный «треугольник».

Далее рассчитаем проводимости прямой, обратной и нулевой последовательностей эквивалентного «треугольника» и сформируем проводимости компенсированного «треугольника»:

Y_"ikv=0; Ү_"2к⁼~Ү.2У и Ү_”ок⁼ Ү *2і.

После обратного перехода получим фазные проводимости Үдвк, Ybck и Ycak компенсационного «треугольника»:

Yabk = 2j / 3^ 3 • {[G²a + (Ga- Gb) • Gc - G²b ] / (Ga + Gb + Go)};

Ybck = 2j /3 V 3 • {[G²b + (Gb - Gc) • Ga - G^ ] / (Ga + Gb + Gc)};

Ycak = 2j /3л/ 3 • {[G^ + (Gc - Ga) ■ Gb - G²a ] / (Ga + Gb + Gc)}.

Рисунок 2 - Схема замещения идеальной трехфазной четырехпроводной сети

С учетом сопротивления нулевого прово- ной четырехпроводной (рисунок 4) и трехфаз-да электрическую цепь, представленную на ри- ной трехлроводной (рисунок 5). В этом случае сунке 3, можно рассматривать как наложение проводимости несимметричной нагрузки пере-двух электрических сетей: идеальной трехфаз- считываются:

Y'a=Ya-Yn/(Ya+Yb + Yc + Yn);

Ү'в= Үв-Үм/(Үа* Yb + Yc* Yn);

Y'c=YcYn/(Ya+Yb + Yc + Yn);

Г'а=Үа-^/(Үа+Үв + Үс+Үн);

L"b=Yb-Yn/(Ya+Yb + Yc+Yn);

Y"c=Ya-Yn/(Ya+Yb + Yc + Yn);

Ya=Y'a + Y"a; Yb=Y'b + L"b; Lc^Y'c + L"c.

Компенсировать токи обратной и нулевой последовательностей можно по предложенным алгоритмам, объединив два компенсационных «треугольника», примененных в трехфазной трехпроводной и идеальной четырехпроводной электрических сетях, в эквивалентный треугольник.

Предлагаемый подход к компенсации токов обратной и нулевой последовательностей позволит создать реактивные симметрирующие устройства, для чего необходима статистическая информация о динамике изменения проводимостей нагрузки [5].

Следует отметить неустранимый недостаток подобных симметрирующих устройств - невозможность плавной компенсации токов обратной и нулевой последовательностей из-за ступенчатого изменения емкостей конденсаторных батарей, уменьшающих (не устраняющих) не-симметрию нагрузки.

Рисунок 3 - Схема замещения реальной трехфазной четырехпроводной сети

Рисунок 4 - Схема замещения идеальной трехфазной четырехпроводной сети

Особо следует отметить осветительную нагрузку. В трехфазных симметрично нагруженных сетях с люминесцентными лампами и лампами ДРЛ ток в нулевом проводе не равен нулю, как в сетях с лампами накаливания, и достигает значительных величин вследствие протекания по нулевому проводу высших нечетных гармоник, обусловленных несинусоидальностью кривой питающего тока источников света вслед ствие нелинейности их вольт-амперных характеристик. Кроме этого в момент пуска пускорегулирующая аппаратура генерирует импульсные напряжения амплитудой до 2 кВ. Ток Io в нулевом проводе определяется корнем квадратным от суммы квадратов токов нечетных высших гармоник, кратных трем:

ІО = 3^ 1(3-1) ² + l(3-3)^{2 +} l(3-5)² + 1(37)² +...

Рисунок 5 - Схема замещения идеальной трехфазной трехпроводной сети

Большая часть нагрузки нулевого провода создается токами третьей и пятой гармоник, составляющих от 56 до 85% фазного тока. Так как любая асимметрия нагрузки влечет за собой увеличение тока нейтрали, сечение нулевого провода в трехфазных симметрично нагруженных сетях с газоразрядными лампами выбирают по расчетному току, одинаковому с токами фазных проводов. Токи высших гармоник, протекающие по нулевому проводу, не увеличивают падение напряжения в фазах трехфазной сети, а создают пульсации напряжения с утроенной частотой сети. В сетях с лампами накаливания при несимметричной нагрузке фаз частичная потеря напряжения в нулевом проводе для двух фаз положительна, а для третьей фазы - отрицательна (и наоборот). Для каждого момента времени аналогичная диаграмма может быть построена и для сетей с газоразрядными лампами, но вектор угловой скорости в нулевом проводе будет иметь угловую скорость вращения в три раза большую, чем скорость вращения фазных векторов, и будет три раза в течение одного периода вызывать поочередно в каждой фазе то увеличение, то уменьшение потери напряжения, поскольку частичные потери напряжения будут то увеличиваться, то уменьшаться. Особенностью осветительной сети являются большие токи. Как правило, групповые щитки выполняются на токи не больше 63 А. Питающие сети, как правило, имеют нагрузку не более 250 А [6, 7].

Нельзя сказать, что никаких эффективных мер по выравниванию нагрузки по фазам никто и никогда не предлагал. Для обеспечения требуемого напряжения в каждой из фаз сети традиционно используются однофазные и трехфазные стабилизаторы напряжения: ферроре-зонансные, автотрансформаторные, с вольтдо-бавочными автотрансформаторами.

Заключение. Приведенные результаты показывают, что имеется возможность сокращения потерь электроэнергии и элекгропора-жений в системах электроснабжения как за счёт организационных, так и за счёт инженернотехнических решений. Приведенные схемы подтверждают указанные возможности и при широкой их реализации позволят поэтапно решать задачи по снижению потерь в энергосистемах потребителей и исключать перерывы в электроснабжении, способствуя также снижению элек тротравматизма и потерь предприятий в результате перерывов в электроснабжении.